T and B cell receptor loci undergo combinatorial rearrangement, generating a diverse immune receptor repertoire, which is vital for recognition of potential antigens. Here we use a multiplex PCR with a mixture of primers targeting the rearranged variable and joining segments to capture receptor diversity. Differential hybridization kinetics can introduce significant amplification biases that alter the composition of sequence libraries prepared by multiplex PCR. Using a synthetic immune receptor repertoire, we identify and minimize such biases and computationally remove residual bias after sequencing. We apply this method to a multiplex T cell receptor gamma sequencing assay. To demonstrate accuracy in a biological setting, we apply the method to monitor minimal residual disease in acute lymphoblastic leukaemia patients. A similar methodology can be extended to any adaptive immune locus. Immunosequencing enables cost-effective sequencing of repertoires of immune cells, but it often suffers from amplification biases when attempting cell quantification. Here, the authors present a powerful multiplex PCR assay that allows for quantitative and unbiased analysis of frequency of different T cell receptors.

ABSTRACT Memory T cells are records of clonal expansion from prior immune exposures, such as infections, vaccines and chronic diseases like cancer. A subset of the receptors of these expanded T cells in a typical immune repertoire are highly public, i.e., present in many individuals exposed to the same exposure. For the most part, the exposures associated with these public T cells are unknown. To identify public T-cell receptor signatures of immune exposures, we mined the immunosequencing repertoires of tens of thousands of donors to define clusters of co-occurring T cells. We first built co-occurrence clusters of T cells responding to antigens presented by the same Human Leukocyte Antigen (HLA) and then combined those clusters across HLAs. Each cross-HLA cluster putatively represents the public T-cell signature of a single prevalent exposure. Using repertoires from donors with known serological status for 7 prevalent exposures (HSV-1, HSV-2, EBV, Parvovirus, Toxoplasma gondii , Cytomegalovirus and SARS-CoV-2), we identified a single T-cell cluster strongly associated with each exposure and used it to construct a highly sensitive and specific diagnostic model for the exposure. These T-cell clusters constitute the public immune responses to prevalent exposures, 7 known and many others unknown. By learning the exposure associations for more T-cell clusters, this approach could be used to derive a ledger of a person’s past and present immune exposures.

Background: The adaptive immune system maintains a diversity of T cells capable of recognizing a broad array of antigens. Each T cell's specificity and affinity for antigens is determined by its T cell receptors (TCRs), which together across all T cells form a repertoire of tens of millions of unique receptors in each individual. Although many studies have examined how TCR repertoires change in response to disease or drugs, few have explored the temporal dynamics of the TCR repertoire in healthy individuals. Results: Here we report immunosequencing of TCR chains (TCR ) from the blood of three healthy individuals at eight time points over one year. TCR repertoires from samples of all T cells and memory T cells clearly clustered by individual, confirming that TCR repertoires are specific to individuals across time. This individuality was absent from TCRs from naive T cells, suggesting that these differences result from an individual's antigen exposure history. Many characteristics of the TCR repertoire (e.g., alpha diversity, clonality) were stable across time, although we found evidence of T cell expansion dynamics even within healthy individuals. We further identified a subset of "persistent" TCRs present across all time points, and these receptors were rich in clonal and public receptors. Conclusions: Our results revealed persistent receptors that may play a key role in immune system maintenance. They further highlight the importance of longitudinal sampling of the immune system and provide a much-needed baseline for TCR dynamics in healthy individuals. Such a baseline should help improve interpretation of changes in the TCR repertoire during disease or treatment.