Abstract Plasma cells and their secreted antibodies play a central role in the long-term protection against chronic viral infection. However, due to experimental limitations, a comprehensive description of linked genotypic, phenotypic, and antibody repertoire features of plasma cells (gene expression, clonal frequency, virus specificity, and affinity) has been challenging to obtain. To address this, we performed single-cell transcriptome and antibody repertoire sequencing of the murine bone marrow plasma cell population following chronic lymphocytic choriomeningitis virus infection. Our single-cell sequencing approach recovered full-length and paired heavy and light chain sequence information for thousands of plasma cells and enabled us to perform recombinant antibody expression and specificity screening. Antibody repertoire analysis revealed that, relative to protein immunization, chronic infection led to increased levels of clonal expansion, class-switching, and somatic variants. Furthermore, antibodies from the highly expanded and class-switched (IgG) plasma cells were found to be specific for multiple viral antigens and a subset of clones exhibited cross-reactivity to non-viral- and auto-antigens. Integrating single-cell transcriptome data with antibody specificity suggested that plasma cell transcriptional phenotype was correlated to viral antigen specificity. Our findings demonstrate that chronic viral infection can induce and sustain plasma cell clonal expansion, combined with significant somatic hypermutation, and can generate cross-reactive antibodies. Graphical abstract. Single-cell sequencing reveals clonally expanded plasma cells during chronic viral infection produce virus-specific and cross-reactive antibodies.

Abstract Murine models of immunization have played a major role in discovering antibody candidates against therapeutic targets. It nevertheless remains time-consuming and expensive to identify antibodies with diverse binding modalities against druggable candidate molecules. Although new genomics-based pipelines have potential to augment antibody discovery, these methods remain in their infancy due to an incomplete understanding of the selection process that governs B cell clonal selection, expansion and antigen specificity. Furthermore, it remains unknown how factors such as aging and reduction of tolerance influence B cell selection in murine models of immunization. Here we perform single-cell sequencing of antibody repertoires and transcriptomes of B cells following immunizations with a model therapeutic antigen target (human Tumor necrosis factor receptor 2, TNFR2). We determine the relationship between antibody repertoires, gene expression signatures and antigen specificity across 100,000 B cells. Recombinant expression and characterization of 227 monoclonal antibodies revealed the existence of clonally expanded and class-switched antigen-specific B cells that were more frequent in young mice. Although integrating multiple repertoire features such as germline gene usage, somatic hypermutation, and transcriptional signatures failed to distinguish antigen-specific from non-specific B cells, other features such as IgG-subtype and sequence composition correlated with antigen-specificity. This work provides a single-cell resource for B cells relating antibody repertoires, transcriptomes and antigen specificity.

A bstract In chronic infections CD8 + T cells acquire a state termed “exhaustion” which is characterized by impaired effector functions and expression of co-inhibitory receptors as response to continuous TCR stimulation. Recently, the pool of exhausted T cells has been shown to harbor multiple functionally distinct populations with memory-like and effector-like features, though differentiation and lineage relations between these are unclear. In this work we present a comprehensive scRNAseq time-series analysis from beginning of infection to established exhaustion in CD8 T cells. We apply lineage inference using informed cell transitions derived from RNA velocity to identify differential start and end states and connections between them. We identify a branch region early during chronic infection where pre-committed cells separate into an exhausted and a memory-like lineage and discovered molecular markers demarcating this branch event. Adoptive transfer experiments confirmed fate-commitment of cells only after this branch point. We additionally linked the progression along developmental lineages to antigenic TCR stimulation.

Abstract Neuroinflammation plays a crucial role during ageing and various neurological conditions, including Alzheimer’s disease, multiple sclerosis and infection. Technical limitations, however, have prevented an integrative analysis of how lymphocyte immune receptor repertoires and their accompanying transcriptional states change with age in the central nervous system (CNS). Here, we leveraged single-cell sequencing to simultaneously profile B cell receptor (BCR) and T cell receptor (TCR) repertoires and accompanying gene expression profiles in young and old mouse brains. We observed the presence of clonally expanded B and T cells in the central nervous system (CNS) of aged mice. Furthermore, many of these B cells were of the IgM and IgD isotype and had low levels of somatic hypermutation. Integrating gene expression information additionally revealed distinct transcriptional profiles of these clonally expanded lymphocytes. Our findings implicate that clonally related T and B cells in the CNS of elderly mice may contribute to neuroinflammation accompanying homeostatic ageing.

Abstract Adaptive immune repertoires are composed by the ensemble of B and T cell receptors (BCR, TCR) within an individual and reflect both past and current immune responses. Recent advances in single-cell sequencing enable recovery of the complete adaptive immune receptor sequences in addition to transcriptional information. Such high-dimensional datasets enable the molecular quantification of clonal selection of B and T cells across a wide variety of conditions such as infection and disease. Due to costs, time required for the analysis and current practices of academic publishing, small-scale sequencing studies are often not made publicly available, despite having informative potential to elucidate immunological principles and guide future-studies. Here, we performed single-cell sequencing of B and T cells to profile clonal selection across murine models of viral infection and autoimmune disease. Specifically, we recovered transcriptome and immune repertoire information for polyclonal T follicular helper cells following acute and chronic viral infection, CD8+ T cells with binding specificity restricted to two distinct peptides of lymphocytic choriomeningitis virus, and B and T cells isolated from the nervous system in the context of experimental autoimmune encephalomyelitis. We could relate repertoire features such as clonal expansion, germline gene usage, and clonal convergence to cell phenotypes spanning activation, memory, naive, antibody secretion, T cell inflation, and regulation. Together, this dataset provides a resource for experimental and computational immunologists that can be integrated with future single-cell immune repertoire and transcriptome sequencing datasets.

Abstract CD8+ T cells play a crucial role in the control and resolution of viral infections and can adopt a wide range of phenotypes and effector functions depending on the inflammatory context and the duration and extent of antigen exposure. Similarly, viral infections can exert diverse selective pressures on populations of clonally related T cells. Technical limitations have nevertheless made it challenging to investigate the relationship between clonal selection and transcriptional phenotypes of virus-specific T cells. We therefore performed single-cell T cell receptor (TCR) repertoire and transcriptome sequencing of virus-specific CD8 T cells in murine models of acute, chronic and latent infection. We observed clear infection-specific populations corresponding to memory, effector, exhausted, and inflationary phenotypes. We further uncovered a mouse-specific and polyclonal T cell response, despite all T cells sharing specificity to a single viral epitope, which was accompanied by stereotypic TCR germline gene usage in all three infection types. Persistent antigen exposure during chronic and latent viral infections resulted in a higher proportion of clonally expanded T cells relative to acute infection. We furthermore observed a relationship between transcriptional heterogeneity and clonal expansion for all three infections, with highly expanded clones having distinct transcriptional phenotypes relative to lowly expanded clones. Finally, we developed and utilized a bioinformatic pipeline integrating pseudotime and clonality, termed Clonotyme, to further support a model in which expanded virus-specific CD8+ T cells adopt heterogenic, yet preferentially, effector-like phenotypes. Together our work relates clonal selection to gene expression in the context of viral infection and further provides a dataset and accompanying software for the immunological community.

Abstract T cells sense and respond to their local environment at the nanoscale by forming small actin-rich protrusions, called microvilli, which play critical roles in signaling and antigen recognition, particularly at the interface with the antigen presenting cells. However, the mechanisms by which microvilli contribute to cell signaling and activation is largely unknown. Here, we present a tunable engineered system that promotes microvilli formation and T cell signaling via physical stimuli. We discovered that nanoporous surfaces favored microvilli formation, and markedly altered gene expression in T cells and promoted their activation. Mechanistically, confinement of microvilli inside of nanopores leads to size-dependent sorting of membrane-anchored proteins, specifically segregating CD45 phosphatases and T cell receptors (TCR) from the tip of the protrusions when microvilli are confined in 200 nm pores, but not in 400 nm pores. Consequently, formation of TCR nanoclustered hotspots within 200 nm pores, allows sustained and augmented signaling that prompts T cell activation even in the absence of TCR agonists. The synergistic combination of mechanical and biochemical signals on porous surfaces presents a straightforward strategy to investigate the role of microvilli in T cell signaling as well as to boost T cell activation and expansion for application in the growing field of adoptive immunotherapy.

Abstract Chronic hepatitis B virus (HBV) infection affects 300 million patients worldwide 1,2 , in whom virus-specific CD8 T cells by still ill-defined mechanisms lose their function and cannot eliminate HBV-infected hepatocytes 3–7 . Here we demonstrate that a liver immune rheostat renders virus-specific CD8 T cells refractory to activation and leads to their loss of effector functions. In preclinical models of persistent infection with hepatotropic viruses such as HBV, dysfunctional virus-specific CXCR6 + CD8 T cells accumulated in the liver and, as a characteristic hallmark, showed enhanced transcriptional activity of cAMP-responsive element modulator (CREM) distinct from T cell exhaustion. In patients with chronic hepatitis B, circulating and intrahepatic HBV-specific CXCR6 + CD8 T cells with enhanced CREM expression and transcriptional activity were detected at a frequency of 12–22% of HBV-specific CD8 T cells. Knocking out the inhibitory CREM / ICER isoform in T cells, however, failed to rescue T cell immunity. This indicates that CREM activity was a consequence, rather than the cause, of loss in T cell function, further supported by the observation of enhanced phosphorylation of protein kinase A (PKA) which is upstream of CREM. Indeed, we found that enhanced cAMP–PKA-signalling from increased T cell adenylyl cyclase activity augmented CREM activity and curbed T cell activation and effector function in persistent hepatic infection. Mechanistically, CD8 T cells recognizing their antigen on hepatocytes established close and extensive contact with liver sinusoidal endothelial cells, thereby enhancing adenylyl cyclase–cAMP–PKA signalling in T cells. In these hepatic CD8 T cells, which recognize their antigen on hepatocytes, phosphorylation of key signalling kinases of the T cell receptor signalling pathway was impaired, which rendered them refractory to activation. Thus, close contact with liver sinusoidal endothelial cells curbs the activation and effector function of HBV-specific CD8 T cells that target hepatocytes expressing viral antigens by means of the adenylyl cyclase–cAMP–PKA axis in an immune rheostat-like fashion.

CD8 T cells play a crucial role in providing protection from viral infections. It has recently been established that a subset of CD8 T cells expressing Tcf1 are responsible for sustaining exhausted T cells during chronic lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) infection. Many of these studies, however, have been performed using T cell receptor (TCR) transgenic mice, in which CD8 T cells express a monoclonal TCR specific for the LCMV glycoprotein. To investigate whether the Tcf1+ and Tcf1- repertoires are naturally composed of similar or different clones in wild-type mice exposed to acute or chronic LCMV infection, we performed TCR repertoire sequencing of virus-specific CD8 T cells, including Tcf1+ and Tcf1- populations. Our analysis revealed that the Tcf1+ TCR repertoire is maintained at an equal or higher degree of clonal diversity despite harboring fewer cells. Additionally, within the same animal, there was extensive clonal overlap between the Tcf1+ and Tcf1- repertoires in both chronic and acute LCMV infection. We could further detect these virus-specific clones in longitudinal blood samples earlier in the infection. With respect to common repertoire parameters (clonal overlap, germline gene usage, and clonal expansion), we found minor differences between the virus-specific TCR repertoire of acute and chronic LCMV infection 40 days post infection. Overall, our results indicate that the Tcf1+ population emerging during chronic LCMV infection is not clonally distinct from the Tcf1- population, supporting the notion that the Tcf1+ pool is indeed a fuel for the more exhausted Tcf1- population within the heterogenous repertoire of LCMV-specific CD8 T cells.

Abstract Cytomegalovirus (CMV) has evolved a unique virus-host relationship in the salivary glands (SGs) to sustain prolonged viral replication and hence chances for horizontal transmission. Previous reports have established a decisive role for IFN γ producing CD4 + T cells to control murine CMV (MCMV) infection in the SGs; however, micro-anatomical information regarding their mode of action is largely missing. Here, we provide a spatiotemporal analysis of defined antiviral immune actions that eventually culminate in control of lytic MCMV replication in this preferred mucosal niche. CXCR3-mediated guidance of CD4 + T cells towards CXCL9 and CXCL10 expressing cells resulted in discrete clusters close to infection foci where they reported TCR engagement and produced IFN γ . Of note, these clusters occasionally contained CD11c + antigen-presenting cells with engulfed virus-associated remnants, most likely apoptotic bodies derived from previously infected cells, enabling antigen presentation to CD4 + T cells. The induced IFN γ production within these CD4 + T cell accumulations triggered IFN γ R signaling in a confined perimeter, thereby inducing local, but not organ-wide protection, and allowing MCMV replication to continue at not yet protected sites. Combining experimental data with a mathematical model of the spatiotemporal dynamics of infection and CD4 + T cell dynamics revealed a scenario, in which ultimate MCMV control is achieved through accumulating sites of regionally-confined tissue protection.