Memory CD8 T cells can be divided into two subsets, central (TCM) and effector (TEM), but their lineage relationships and their ability to persist and confer protective immunity are not well understood. Our results show that TCM have a greater capacity than TEM to persist in vivo and are more efficient in mediating protective immunity because of their increased proliferative potential. We also demonstrate that, following antigen clearance, TEM convert to TCM and that the duration of this differentiation is programmed within the first week after immunization. We propose that TCM and TEM do not necessarily represent distinct subsets, but are part of a continuum in a linear naive → effector → TEM → TCM differentiation pathway.

Conventional models suggest that long-term antibody responses are maintained by the continuous differentiation of memory B cells into antibody-secreting plasma cells. This is based on the notion that plasma cells are short-lived and need to be continually replenished by memory B cells. We examined the issue of plasma cell longevity by following the persistence of LCMV-specific antibody and plasma cell numbers after in vivo depletion of memory B cells and by adoptive transfer of virus-specific plasma cells into naive mice. The results show that a substantial fraction of plasma cells can survive and continue to secrete antibody for extended periods of time (>1 year) in the absence of any detectable memory B cells. This study documents the existence of long-lived plasma cells and demonstrates a new mechanism by which humoral immunity is maintained.

Novel pathogens continue to emerge in human, domestic animal, wildlife and plant populations, yet the population dynamics of this kind of biological invasion remain poorly understood. Here, we consider the epidemiological and evolutionary processes underlying the initial introduction and subsequent spread of a pathogen in a new host population, with special reference to pathogens that originate by jumping from one host species to another. We conclude that, although pathogen emergence is inherently unpredictable, emerging pathogens tend to share some common traits, and that directly transmitted RNA viruses might be the pathogens that are most likely to jump between host species.

The generation and efficient maintenance of antigen-specific memory T cells is essential for long-lasting immunological protection. In this study, we examined the role of interleukin (IL)-15 in the generation and maintenance of virus-specific memory CD8 T cells using mice deficient in either IL-15 or the IL-15 receptor α chain. Both cytokine- and receptor-deficient mice made potent primary CD8 T cell responses to infection with lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV), effectively cleared the virus and generated a pool of antigen-specific memory CD8 T cells that were phenotypically and functionally similar to memory CD8 T cells present in IL-15+/+ mice. However, longitudinal analysis revealed a slow attrition of virus-specific memory CD8 T cells in the absence of IL-15 signals.This loss of CD8 T cells was due to a severe defect in the proliferative renewal of antigen-specific memory CD8 T cells in IL-15−/− mice. Taken together, these results show that IL-15 is not essential for the generation of memory CD8 T cells, but is required for homeostatic proliferation to maintain populations of memory cells over long periods of time.

The constraint of fitting a diverse repertoire of antigen specificities in a limited total population of lymphocytes results in the frequency of naive cells specific for any given antigen (defined as the precursor frequency) being below the limit of detection by direct measurement. We have estimated this precursor frequency by titrating a known quantity of antigen-specific cells into naive recipients. Adoptive transfer of naive antigen-specific T cell receptor transgenic cells into syngeneic nontransgenic recipients, followed by stimulation with specific antigen, results in activation and expansion of both donor and endogenous antigen-specific cells in a dose-dependent manner. The precursor frequency is equal to the number of transferred cells when the transgenic and endogenous responses are of equal magnitude. Using this method we have estimated the precursor frequency of naive CD8 T cells specific for the H-2Db–restricted GP33–41 epitope of LCMV to be 1 in 2 × 105. Thus, in an uninfected mouse containing ∼2-4 × 107 naive CD8 T cells we estimate there to be 100–200 epitope-specific cells. After LCMV infection these 100–200 GP33-specific naive CD8 T cells divide >14 times in 1 wk to reach a total of ∼107 cells. Approximately 5% of these activated GP33-specific effector CD8 T cells survive to generate a memory pool consisting of ∼5 × 105 cells. Thus, an acute LCMV infection results in a >1,000-fold increase in precursor frequency of DbGP33-specific CD8 T cells from 2 × 102 naive cells in uninfected mice to 5 × 105 memory cells in immunized mice.

It is unclear when, where and how novel pathogens such as human immunodeficiency virus (HIV), monkeypox and severe acute respiratory syndrome (SARS) will cross the barriers that separate their natural reservoirs from human populations and ignite the epidemic spread of novel infectious diseases. New pathogens are believed to emerge from animal reservoirs when ecological changes increase the pathogen's opportunities to enter the human population and to generate subsequent human-to-human transmission. Effective human-to-human transmission requires that the pathogen's basic reproductive number, R(0), should exceed one, where R(0) is the average number of secondary infections arising from one infected individual in a completely susceptible population. However, an increase in R(0), even when insufficient to generate an epidemic, nonetheless increases the number of subsequently infected individuals. Here we show that, as a consequence of this, the probability of pathogen evolution to R(0) > 1 and subsequent disease emergence can increase markedly.

DNA methylation profiling of virus-specific T cells during acute viral infection in mice provides evidence that a fate-permissive subset of effector CD8 T cells dedifferentiates into long-lived memory T cells. Memory cells protect against reinfection, or protect against infection after vaccination, but whether they are derived from naive or effector T cells is unknown. Rafi Ahmed and colleagues study the generation, maintenance and characteristics of long-lived memory CD8 T cells in humans after yellow fever vaccination and deuterium labelling. The study demonstrates that long-lived memory CD8 T cells are derived from cells that have divided extensively during the effector phase of the infection. Quiescent memory cells appear to revert to a naive phenotype but maintain an upregulated pattern of gene regulation that resembles effector T cells. In a second paper in this issue, Rafi Ahmed and colleagues examine changes in DNA methylation during effector and memory CD8 T cell differentiation, providing support for a model in which long-lived memory cells arise from a precursor of effector cells. Memory CD8 T cells that circulate in the blood and are present in lymphoid organs are an essential component of long-lived T cell immunity. These memory CD8 T cells remain poised to rapidly elaborate effector functions upon re-exposure to pathogens, but also have many properties in common with naive cells, including pluripotency and the ability to migrate to the lymph nodes and spleen. Thus, memory cells embody features of both naive and effector cells, fuelling a long-standing debate centred on whether memory T cells develop from effector cells or directly from naive cells1,2,3,4. Here we show that long-lived memory CD8 T cells are derived from a subset of effector T cells through a process of dedifferentiation. To assess the developmental origin of memory CD8 T cells, we investigated changes in DNA methylation programming at naive and effector cell-associated genes in virus-specific CD8 T cells during acute lymphocytic choriomeningitis virus infection in mice. Methylation profiling of terminal effector versus memory-precursor CD8 T cell subsets showed that, rather than retaining a naive epigenetic state, the subset of cells that gives rise to memory cells acquired de novo DNA methylation programs at naive-associated genes and became demethylated at the loci of classically defined effector molecules. Conditional deletion of the de novo methyltransferase Dnmt3a at an early stage of effector differentiation resulted in reduced methylation and faster re-expression of naive-associated genes, thereby accelerating the development of memory cells. Longitudinal phenotypic and epigenetic characterization of the memory-precursor effector subset of virus-specific CD8 T cells transferred into antigen-free mice revealed that differentiation to memory cells was coupled to erasure of de novo methylation programs and re-expression of naive-associated genes. Thus, epigenetic repression of naive-associated genes in effector CD8 T cells can be reversed in cells that develop into long-lived memory CD8 T cells while key effector genes remain demethylated, demonstrating that memory T cells arise from a subset of fate-permissive effector T cells.

Ending the COVID-19 pandemic will require long-lived immunity to SARS-CoV-2. Here, we evaluate 254 COVID-19 patients longitudinally up to 8 months and find durable broad-based immune responses. SARS-CoV-2 spike binding and neutralizing antibodies exhibit a bi-phasic decay with an extended half-life of >200 days suggesting the generation of longer-lived plasma cells. SARS-CoV-2 infection also boosts antibody titers to SARS-CoV-1 and common betacoronaviruses. In addition, spike-specific IgG+ memory B cells persist, which bodes well for a rapid antibody response upon virus re-exposure or vaccination. Virus-specific CD4+ and CD8+ T cells are polyfunctional and maintained with an estimated half-life of 200 days. Interestingly, CD4+ T cell responses equally target several SARS-CoV-2 proteins, whereas the CD8+ T cell responses preferentially target the nucleoprotein, highlighting the potential importance of including the nucleoprotein in future vaccines. Taken together, these results suggest that broad and effective immunity may persist long-term in recovered COVID-19 patients.

Taming a pandemic One year after its emergence, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has become so widespread that there is little hope of elimination. There are, however, several other human coronaviruses that are endemic and cause multiple reinfections that engender sufficient immunity to protect against severe adult disease. By making assumptions about acquired immunity from its already endemic relatives, Lavine et al. developed a model with which to analyze the trajectory of SARS-CoV-2 into endemicity. The model accounts for SARS-CoV-2's age-structured disease profile and assesses the impact of vaccination. The transition from epidemic to endemic dynamics is associated with a shift in the age distribution of primary infections to younger age groups, which in turn depends on how fast the virus spreads. Longer-lasting sterilizing immunity will slow the transition to endemicity. Depending on the type of immune response it engenders, a vaccine could accelerate establishment of a state of mild disease endemicity. Science , this issue p. 741

Abstract Viral genomes comprising multiple distinct RNA segments can undergo genetic exchange through reassortment, a process that facilitates viral evolution and can have major epidemiological consequences. Segmentation also allows the replication of incomplete viral genomes (IVGs), however, and evidence suggests that IVGs occur frequently for influenza A viruses. Here we quantified the frequency of IVGs using a novel single cell assay and then examined their implications for viral fitness. We found that each segment of influenza A/Panama/2007/99 (H3N2) virus has only a 58% probability of being present in a cell infected with a single virion. These observed frequencies accurately account for the abundant reassortment seen in co-infection, and suggest that an average of 3.7 particles are required for replication of a full viral genome in a cell. This dependence on multiple infection is predicted to decrease infectivity and to slow viral propagation in a well-mixed system. Importantly, however, modeling of spatially structured viral growth predicted that the need for complementation is met more readily when secondary spread occurs locally. This expectation was supported by experimental infections in which the level spatial structure was manipulated. Furthermore, a virus engineered to be entirely dependent on co-infection to replicate in vivo was found to grow robustly in guinea pigs, suggesting that coinfection is sufficiently common in vivo to support propagation of IVGs. The infectivity of this mutant virus was, however, reduced 815-fold relative wild-type and the mutant virus did not transmit to contacts. Thus, while incomplete genomes augment reassortment and contribute to within-host spread, the existence of rare complete IAV genomes may be critical for transmission to new hosts.