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.

Autologous hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is commonly employed for hematologic and non-hematologic malignancies. In clinical trials, HSCT has been evaluated for severe autoimmunity as a method to "reset" the immune system and produce a new, non-autoimmune repertoire. While the feasibility of eliminating the vast majority of mature T cells is well established, accurate and quantitative determination of the relationship of regenerated T cells to the baseline repertoire has been difficult to assess. Here, in a phase II study of HSCT for poor-prognosis multiple sclerosis, we used high-throughput deep TCRβ chain sequencing to assess millions of individual TCRs per patient sample. We found that HSCT has distinctive effects on CD4+ and CD8+ T cell repertoires. In CD4+ T cells, dominant TCR clones present before treatment were undetectable following reconstitution, and patients largely developed a new repertoire. In contrast, dominant CD8+ clones were not effectively removed, and the reconstituted CD8+ T cell repertoire was created by clonal expansion of cells present before treatment. Importantly, patients who failed to respond to treatment had less diversity in their T cell repertoire early during the reconstitution process. These results demonstrate that TCR characterization during immunomodulatory treatment is both feasible and informative, and may enable monitoring of pathogenic or protective T cell clones following HSCT and cellular therapies.

About 25% of high-grade cervical intraepithelial neoplasias (CIN2/3) caused by human papillomavirus serotype 16 (HPV16) undergo complete spontaneous regression. However, to date, therapeutic vaccination strategies for HPV disease have yielded limited success when measured by their ability to induce robust peripheral blood T cell responses to vaccine antigen. We report marked immunologic changes in the target lesion microenvironment after intramuscular therapeutic vaccination targeting HPV16 E6/E7 antigens, in subjects with CIN2/3 who had modest detectable responses in circulating T lymphocytes. Histologic and molecular changes, including markedly (average threefold) increased intensity of CD8(+) T cell infiltrates in both the stromal and epithelial compartments, suggest an effector response to vaccination. Postvaccination cervical tissue immune infiltrates included organized tertiary lymphoid-like structures in the stroma subjacent to residual intraepithelial lesions and, unlike infiltrates in unvaccinated lesions, showed evidence of proliferation induced by recognition of cognate antigen. At a molecular level, these histologic changes in the stroma were characterized by increased expression of genes associated with immune activation (CXCR3) and effector function (Tbet and IFNβ), and were also associated with an immunologic signature in the overlying dysplastic epithelium. High-throughput T cell receptor sequencing of unmanipulated specimens identified clonal expansions in the tissue that were not readily detectable in peripheral blood. Together, these findings indicate that peripheral therapeutic vaccination to HPV antigens can induce a robust tissue-localized effector immune response, and that analyses of immune responses at sites of antigen are likely to be much more informative than analyses of cells that remain in the circulation.

B and T cells expand clonally in response to pathogenic infection, and their descendants, which share the same receptor sequence, can persist for years, forming the basis of immunological memory. While most T cell receptor (TCR) sequences are seen very rarely, 'public' TCRs are present in many individuals. Using a combination of high throughput immunosequencing, statistical association of particular TCRs with disease status, and machine learning, we identified of a set of public TCRs that discriminates cytomegalovirus (CMV) infection status with high accuracy. This pathogen-specific diagnostic tool uses a very general assay that relies only on a training cohort coupled with immunosequencing and sophisticated data analysis. Since all memory T cell responses are encoded in the common format of somatic TCR rearrangements, a key advantage of reading T cell memory to predict disease status is that this approach should apply to a wide variety of diseases. The underlying dataset is the largest collection of TCRs ever published, including ~300 gigabases of sequencing data and ~85 million unique TCRs across 640 HLA-typed individuals, which constitutes by far the largest such collection ever published. We expect these data to be a valuable public resource for researchers studying the TCR repertoire.