The interplay between an evolving cancer and a dynamic immune microenvironment remains unclear. Here we analyse 258 regions from 88 early-stage, untreated non-small-cell lung cancers using RNA sequencing and histopathology-assessed tumour-infiltrating lymphocyte estimates. Immune infiltration varied both between and within tumours, with different mechanisms of neoantigen presentation dysfunction enriched in distinct immune microenvironments. Sparsely infiltrated tumours exhibited a waning of neoantigen editing during tumour evolution, indicative of historical immune editing, or copy-number loss of previously clonal neoantigens. Immune-infiltrated tumour regions exhibited ongoing immunoediting, with either loss of heterozygosity in human leukocyte antigens or depletion of expressed neoantigens. We identified promoter hypermethylation of genes that contain neoantigenic mutations as an epigenetic mechanism of immunoediting. Our results suggest that the immune microenvironment exerts a strong selection pressure in early-stage, untreated non-small-cell lung cancers that produces multiple routes to immune evasion, which are clinically relevant and forecast poor disease-free survival. RNA sequencing data and tumour pathology observations of non-small-cell lung cancers indicate that the immune cell microenvironment exerts strong evolutionary selection pressures that shape the immune-evasion capacity of tumours.

A boost from infection During clinical trials of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 vaccines, no one who had survived infection with the virus was tested. A year after the pandemic was declared, vaccination of previously infected persons is a reality. Reynolds et al. address the knowledge gap in a cohort of UK health care workers given the Pfizer/BioNTech vaccine in which half of the participants had experienced natural virus infections early in the pandemic (see the Perspective by Crotty). Genotyping indicated that a genetic component underlies heterogeneity in immune responses to vaccine and to natural infection. After vaccination, naïve individuals developed antibody responses similar to those seen in naturally infected persons, but T cell responses were more limited and sometimes absent. However, antibody and memory responses in individuals vaccinated after infection were substantially boosted to the extent that a single vaccine dose is likely to protect against the more aggressive B.1.1.7 variant. It is possible that the messenger RNA vaccine has an adjuvant effect, biasing responses toward antibody generation. Science , abh1282, this issue p. 1418 ; see also abj2258, p. 1392

Abstract Individuals with potential exposure to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) do not necessarily develop PCR or antibody positivity, suggesting that some individuals may clear subclinical infection before seroconversion. T cells can contribute to the rapid clearance of SARS-CoV-2 and other coronavirus infections 1–3 . Here we hypothesize that pre-existing memory T cell responses, with cross-protective potential against SARS-CoV-2 (refs. 4–11 ), would expand in vivo to support rapid viral control, aborting infection. We measured SARS-CoV-2-reactive T cells, including those against the early transcribed replication–transcription complex (RTC) 12,13 , in intensively monitored healthcare workers (HCWs) who tested repeatedly negative according to PCR, antibody binding and neutralization assays (seronegative HCWs (SN-HCWs)). SN-HCWs had stronger, more multispecific memory T cells compared with a cohort of unexposed individuals from before the pandemic (prepandemic cohort), and these cells were more frequently directed against the RTC than the structural-protein-dominated responses observed after detectable infection (matched concurrent cohort). SN-HCWs with the strongest RTC-specific T cells had an increase in IFI27 , a robust early innate signature of SARS-CoV-2 (ref. 14 ), suggesting abortive infection. RNA polymerase within RTC was the largest region of high sequence conservation across human seasonal coronaviruses (HCoV) and SARS-CoV-2 clades. RNA polymerase was preferentially targeted (among the regions tested) by T cells from prepandemic cohorts and SN-HCWs. RTC-epitope-specific T cells that cross-recognized HCoV variants were identified in SN-HCWs. Enriched pre-existing RNA-polymerase-specific T cells expanded in vivo to preferentially accumulate in the memory response after putative abortive compared to overt SARS-CoV-2 infection. Our data highlight RTC-specific T cells as targets for vaccines against endemic and emerging Coronaviridae .

Abstract The production of hypochlorous acid (HOCl) is a characteristic of granulocyte activation, a hallmark of the early phase of innate immune responses. In this study, we show that, in addition to its well-established role as a microbicide, HOCl can act as a natural adjuvant of adaptive immunity. HOCl enhances the T cell responses to the model Ag OVA, facilitating the processing and presentation of this protein via the class II MHC pathway. HOCl modification also enhances cross-presentation of the tumor Ag tyrosinase-related protein 2 via class I MHC. The adjuvant effects of HOCl are independent of TLR signaling. The enhanced presentation of HOCl-modified OVA is mediated via modification of the N-linked carbohydrate side chain rather than formation of protein aldehydes or chloramines. HOCl-modified OVA is taken up more efficiently by APCs and is degraded more efficiently by proteinases. Atomic force microscopy demonstrated that enhanced uptake is mediated via specific receptor binding, one candidate for which is the scavenger receptor lectin-like oxidized low-density lipoprotein receptor, which shows enhanced binding to chlorinated OVA. A function of HOCl is therefore to target glycoprotein Ags to scavenger receptors on the APC surface. This additional mechanism linking innate and adaptive immunity suggests novel strategies to enhance immunity to vaccines.

The COVID-19 pandemic is an ongoing global health threat, yet our understanding of the dynamics of early cellular responses to this disease remains limited

Abstract The human naive T-cell receptor (TCR) repertoire is extremely diverse and accurately estimating its distribution is challenging. We address this challenge by combining a quantitative sequencing protocol of TCRA and TCRB sequences with computational modelling. We observed the vast majority of TCR chains only once in our samples, confirming the enormous diversity of the naive repertoire. However, a substantial number of sequences were observed multiple times within samples, and we demonstrated that this is due to expression by many cells in the naive pool. We reason that α and β chains are frequently observed due to a combination of selective processes and summation over multiple clones expressing these chains. We test the contribution of both mechanisms by predicting samples from phenomenological and mechanistically modelled repertoire distributions. By comparing these with sequencing data, we show that frequently observed chains are likely to be derived from multiple clones. Still, a neutral model of T-cell homeostasis cannot account for the observed distributions. We conclude that the data are only compatible with distributions of many small clones in combination with a sufficient number of very large naive T-cell clones, the latter most likely as a result of peripheral selection.

Abstract The phenomenon of mixed/heterogenous treatment responses to cancer therapies within an individual patient presents a challenging clinical scenario. Furthermore, the molecular basis of mixed intra-patient tumor responses remains unclear. Here, we show that patients with metastatic lung adenocarcinoma harbouring co-mutations of EGFR and TP53 , are more likely to have mixed intra-patient tumor responses to EGFR tyrosine kinase inhibition (TKI), compared to those with an EGFR mutation alone. The combined presence of whole genome doubling (WGD) and TP53 co-mutations leads to increased genome instability and genomic copy number aberrations in genes implicated in EGFR TKI resistance. Using mouse models and an in vitro isogenic p53 -mutant model system, we provide evidence that WGD provides diverse routes to drug resistance by increasing the probability of acquiring copy-number gains or losses relative to non-WGD cells. These data provide a molecular basis for mixed tumor responses to targeted therapy, within an individual patient, with implications for therapeutic strategies.

Abstract We propose TCRDivER, a global approach to T-cell repertoire comparison using diversity profiles sensitive to both clone size and sequence similarity. As immunotherapies improve, the long standing biological interest in connecting outcome with T cell receptor (TCR) repertoire status has become more urgent. Here we show that new insights can be extracted from high throughput repertoire sequencing data. Most current efforts focus on identification of immunisation-specific sequence motifs or on monitoring changes in frequency of individual clones. Applying TCRDivER to murine spleen samples shows it characterises an additional dimension of repertoire variation, beyond conventional diversity estimates, allowing distinction between immunised and non-immunised samples. We further apply TCRDivER to repertoires from human blood. In both cases we show characteristic relationships between repertoire features. These reveal biologically interpretable relationships between sequence similarity and clonal expansions. We thereby demonstrate a new tool for investigation in clinical and research applications.

One of the feats of adaptive immunity is its ability to recognize foreign pathogens while sparing the self. During maturation in the thymus, T cells are selected through the binding properties of their antigen-specific T-cell receptor (TCR), through the elimination of both weakly (positive selection) and strongly (negative selection) self-reactive receptors. However, the impact of thymic selection on the TCR repertoire is poorly understood. Here, we use transgenic Nur77-mice expressing a T-cell activation reporter to study the repertoires of thymic T cells at various stages of their development, including cells that do not pass selection. We combine high-throughput repertoire sequencing with statistical inference techniques to charactarize the selection of the TCR in these distinct subsets. We find small but significant differences in the TCR repertoire parameters between the maturation stages, which recapitulate known differentiation pathways leading to the CD4+ and CD8+ subtypes. These differences can be simulated by simple models of selection acting linearly on the sequence features. We find no evidence of specific sequences or sequence motifs or features that are suppressed by negative selection. These results are consistent with a collective or statistical model for T-cell specificity, where negative selection biases the repertoire away from self recognition, rather than ensuring lack of self-reactivity at the single-cell level.

Abstract We analyzed the dynamics of the earliest T cell response to SARS-COV-2. A wave of TCRs strongly but transiently expand during infection, frequently peaking the same week as the first positive PCR test. These expanding TCR CDR3s were enriched for sequences functionally annotated as SARS-COV-2 specific. Most epitopes recognized by the expanding TCRs were highly conserved between SARS-COV-2 strains, but not with circulating human coronaviruses. Many expanding CDR3s were also present at high precursor frequency in pre-pandemic TCR repertoires. A similar set of early response TCRs specific for lymphocytic choriomeningitis virus epitopes were also found at high frequency in the pre-infection naïve repertoire. High frequency naïve precursors may allow the T cell response to respond rapidly during the crucial early phases of acute viral infection. One-Sentence Summary High frequency naïve precursors underly the rapid T cell response during the crucial early phases of acute viral infection.