Abstract The baseline composition of T cells directly impacts later response to a pathogen, but the complexity of precursor states remains poorly defined. Here we examined the baseline state of SARS-CoV-2 specific T cells in unexposed individuals. SARS-CoV-2 specific CD4 + T cells were identified in pre-pandemic blood samples by class II peptide-MHC tetramer staining and enrichment. Our data revealed a substantial number of SARS-CoV-2 specific T cells that expressed memory phenotype markers, including memory cells with gut homing receptors. T cell clones generated from tetramer-labeled cells cross-reacted with bacterial peptides and responded to stool lysates in a MHC-dependent manner. Integrated phenotypic analyses revealed additional precursor diversity that included T cells with distinct polarized states and trafficking potential to other barrier tissues. Our findings illustrate a complex pre-existing memory pool poised for immunologic challenges and implicate non-infectious stimuli from commensal colonization as a factor that shapes pre-existing immunity. One Sentence Summary Pre-existing immunity to SARS-CoV-2 contains a complex pool of precursor lymphocytes that include differentiated cells with broad tissue tropism and the potential to cross-react with commensal antigens.

How baseline T cell characteristics impact human T cell responses to novel pathogens remains unknown. Here, we address this question by studying the CD4+ T cell response in unexposed individuals to live attenuated yellow fever virus (YFV) vaccine. We quantified virus-specific population dynamics over time using class II peptide-MHC tetramers. Our data revealed that, even in the absence of known viral exposure, memory phenotype T cells were found in the majority of virus-specific precursors in healthy adults. Pre-existing memory T cells can be divided into two groups; abundant pre-vaccine populations that underwent limited overall expansion and rare cells that generated naive-like responses and preferentially contributed to the memory repertoire after vaccination. Single cell T cell receptor (TCR) sequencing was used to track the evolution of immune responses to different epitopes and showed an association between preservation of unexpanded TCRs before exposure and the robustness of post-vaccine responses. Instead of a further increase in pre-established TCR clones, vaccination boosted the representation of rare TCRs. Thus, vaccine restructures the abundance and clonal hierarchy of virus-specific T cells. Our results link T cell precursor states to post-exposure responses, identifying peripheral education of virus-specific repertoire as a key component of effective vaccination.

Memory T cells are conventionally associated with durable recall responses. In our longitudinal analyses of CD4+ T cell responses to the yellow fever virus (YFV) vaccine by peptide-MHC tetramers, we unexpectedly found CD45RO-CCR7+ virus-specific CD4+ T cells that expanded shortly after vaccination and persisted months to years after immunization. Further phenotypic analyses revealed the presence of stem-cell memory T cells (TSCM) within this subset. In addition, post-vaccine T cells lacking known memory markers and functionally resembling genuine naïve T cells were identified, referred to herein as marker-negative T cells (TMN). Single-cell TCR sequencing detected expanded clonotypes within the TMN subset and identified TMN TCRs shared with memory and effector T cells. Longitudinal tracking of YFV-specific responses over subsequent years revealed superior stability of TMN cells, which correlated with the longevity of the overall tetramer+ population. These findings uncovered additional complexity within the post-immune T cell compartment and implicate TMN cells in durable immune responses.

Factors that contribute to durable immunological memory remain incompletely understood. In our longitudinal analyses of CD4