There is an urgent need to better understand the pathophysiology of Coronavirus disease 2019 (COVID-19), the global pandemic caused by SARS-CoV-2, which has infected more than three million people worldwide1. Approximately 20% of patients with COVID-19 develop severe disease and 5% of patients require intensive care2. Severe disease has been associated with changes in peripheral immune activity, including increased levels of pro-inflammatory cytokines3,4 that may be produced by a subset of inflammatory monocytes5,6, lymphopenia7,8 and T cell exhaustion9,10. To elucidate pathways in peripheral immune cells that might lead to immunopathology or protective immunity in severe COVID-19, we applied single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to profile peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from seven patients hospitalized for COVID-19, four of whom had acute respiratory distress syndrome, and six healthy controls. We identify reconfiguration of peripheral immune cell phenotype in COVID-19, including a heterogeneous interferon-stimulated gene signature, HLA class II downregulation and a developing neutrophil population that appears closely related to plasmablasts appearing in patients with acute respiratory failure requiring mechanical ventilation. Importantly, we found that peripheral monocytes and lymphocytes do not express substantial amounts of pro-inflammatory cytokines. Collectively, we provide a cell atlas of the peripheral immune response to severe COVID-19. Single-cell transcriptomic analysis identifies changes in peripheral immune cells in seven hospitalized patients with COVID-19, including HLA class II downregulation, a heterogeneous interferon-stimulated gene signature and low pro-inflammatory cytokine gene expression in monocytes and lymphocytes.

Innate Natural killer (NK) cells employ an array of surface receptors to detect altered self induced by infection or malignancy. Despite their decisive role in early antiviral immunity, the cellular mechanisms governing if or how they discriminate between viral infections remain unresolved. Here, we demonstrate that while human NK cells are capable of reducing infection levels of distinct influenza A strains, the A/California/07/2009 (pH1N1) strain induces a significantly more robust IFN-gamma response than A/Victoria/361/2011 (H3N2) and all other strains tested. This surprising degree of strain specificity results in part from the inability of the pH1N1 strain to downregulate the activating ligands CD112 (Nectin-2) and CD54 (ICAM-1) as efficiently as the H3N2 strain, leading to enhanced NK cell detection and IFN-gamma; secretion. A network analysis of differentially expressed transcripts identifies the interferon alpha/beta receptor (IFNAR) pathway as an additional, critical determinant of this strain-specific response. Strain-specific downregulation of NK cell activating ligands and modulation of type I IFN production represents a previously unrecognized influenza immunoevasion tactic and could present new opportunities to modulate the quality and quantity of the innate antiviral response for therapeutic benefit.

Dengue virus (DENV) is the most prevalent mosquito-borne virus in the world and a major cause of morbidity in the tropics and subtropics. Upregulation of HLA class I molecules has long been considered a feature of DENV infection, yet this has not been evaluated in the setting of natural infection. Natural killer (NK) cells, an innate immune cell subset critical for mounting an early response to viral infection, are inhibited by self HLA class I, suggesting that upregulation of HLA class I during DENV infection could dampen the NK cell response. Here we addressed whether upregulation of HLA class I molecules occurs during in vivo DENV infection and, if so, whether this suppresses the NK cell response. We found that HLA class I expression was indeed upregulated during acute DENV infection across multiple cell lineages in vivo. To better understand the role of HLA class I upregulation, we infected primary human monocytes, a major target of DENV infection, in vitro. Upregulation of total HLA class I is dependent on active viral replication and is mediated in part by cytokines and other soluble factors induced by infection, while upregulation of HLA-E occurs in the presence of replication-incompetent virus. Importantly, blocking DENV-infected monocytes with a pan-HLA class I Fab nearly doubles the frequency of degranulating NK cells, while blocking HLA-E does not significantly improve the NK cell response. These findings demonstrate that upregulation of HLA class I during DENV infection suppresses the NK cell response, potentially contributing to disease pathogenesis.

ABSTRACT Timely initiation of antiretroviral therapy (ART) remains a major challenge in the effort to treat children living with HIV (“CLH”) and little is known regarding the dynamics of immune normalization following ART in CLH with varying times to and durations of ART. Here, we leveraged two cohorts of virally-suppressed CLH from Nairobi, Kenya to examine differences in the peripheral immune systems between two cohorts of age-matched children (to control for immune changes with age): one group which initiated ART during early HIV infection and had been on ART for 5-6 years at evaluation (early, long-term treated; “ELT” cohort), and one group which initiated ART later and had been on ART for approximately 9 months at evaluation (delayed, short-term treated; “DST” cohort). We profiled PBMC and purified NK cells from these two cohorts by mass cytometry time-of-flight (CyTOF). Although both groups of CLH had undetectable viral RNA load at evaluation, there were marked differences in both immune composition and immune phenotype between the ELT cohort and the DST cohort. DST donors had reduced CD4 T cell percentages, decreased naive to effector memory T cell ratios, and markedly higher expression of stress-induced markers. Conversely, ELT donors had higher naive to effector memory T cell ratios, low expression of stress-induced markers, and increased expression of markers associated with an effective antiviral response and resolution of inflammation. Collectively, our results demonstrate key differences in the immune systems of virally-suppressed CLH with different ages at ART initiation and durations of treatment and provide further rationale for emphasizing early onset of ART. AUTHOR SUMMARY Many children living with HIV lack access to both antiviral treatments and testing for HIV infection and are therefore unable to initiate treatment in a timely manner. When children do begin treatment, their immune systems take time to recover from the uncontrolled HIV infection. In this study, we examine how the immune systems of children living with HIV normalize after treatment onset by looking at two groups of children whose HIV is well-controlled by treatment and who therefore don’t have virus replicating in their blood. One group started treatment within the first year of life and has been on treatment for 5-6 years, while the other began treatment after the first year and has been treated for around 9 months. Although both of these groups are virally-suppressed, we found significant differences in their immune profiles, with the children who had delayed and short-term treatment showing signs of inflammation and immune dysfunction. Collectively, our study helps us understand how variation in the timing and duration of ART treatment impacts the immune system in children with viral suppression and therefore provides clinicians with additional knowledge that can inform the care of children living with HIV, improving their health and quality of life.

Abstract Dengue virus (DENV) is a significant cause of morbidity in many regions of the world, with children at the greatest risk of developing severe dengue. Natural killer (NK) cells, characterized by their ability to rapidly recognize and kill virally infected cells, are activated during acute DENV infection. However, their role in viral clearance versus pathogenesis has not been fully elucidated. Our goal was to profile the NK cell receptor-ligand repertoire to provide further insight into the function of NK cells during pediatric and adult DENV infection. We used mass cytometry (CyTOF) to phenotype isolated NK cells and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from a cohort of DENV-infected children and adults. Using unsupervised clustering, we found that pediatric DENV infection leads to a decrease in total NK cell frequency with a reduction in the percentage of CD56 dim CD38 bright NK cells and an increase in the percentage of CD56 dim perforin bright NK cells. No such changes were observed in adults. Next, we identified markers predictive of DENV infection using a differential state test. In adults, NK cell expression of activation markers, including CD69, perforin, and Fas-L, and myeloid cell expression of activating NK cell ligands, namely Fas, were predictive of infection. In contrast, NK cell expression of the maturation marker CD57 and increased myeloid cell expression of inhibitory ligands, such as HLA class I molecules, were predictive of pediatric DENV infection. These findings suggest that acute pediatric DENV infection may result in diminished NK cell activation, which could contribute to enhanced pathogenesis and disease severity.

Objective: Our objective was to investigate the mechanisms that govern natural killer (NK) cell responses to HIV, with a focus on specific receptor-ligand interactions involved in HIV recognition by NK cells. Design and Methods: We first performed a mass cytometry-based screen of NK cell receptor expression patterns in healthy controls and HIV+ individuals. We then focused mechanistic studies on the expression and function of T cell immunoreceptor with Ig and ITIM domains (TIGIT). Results: The mass cytometry screen revealed that TIGIT is upregulated on NK cells of untreated HIV+ women, but not in antiretroviral-treated women. TIGIT is an inhibitory receptor that is thought to mark exhausted NK cells; however, blocking TIGIT did not improve anti-HIV NK cell responses. In fact, the TIGIT ligands CD112 and CD155 were not upregulated on CD4+ T cells in vitro or in vivo, providing an explanation for the lack of benefit from TIGIT blockade. TIGIT expression marked a unique subset of NK cells that express significantly higher levels of NK cell activating receptors (DNAM-1, NTB-A, 2B4, CD2) and exhibit a mature/adaptive phenotype (CD57hi, NKG2Chi, LILRB1hi, FcRγlo, Syklo). Furthermore, TIGIT+ NK cells had increased responses to mock-infected and HIV-infected autologous CD4+ T cells, and to PMA/ionomycin, cytokine stimulation and the K562 cancer cell line. Conclusions: TIGIT expression is increased on NK cells from untreated HIV+ individuals. Although TIGIT does not participate directly in NK cell recognition of HIV, it marks a population of mature/adaptive NK cells with increased functional responses.

Natural killer (NK) cells are capable of rapid and robust cytotoxicity, making them excellent tools for immunotherapy. However, their recalcitrance to standard transfection techniques has limited both mechanistic studies and clinical applications. Current approaches for NK cell manipulation rely on viral transduction or methods requiring NK cell activation, which can alter NK cell function. Here, we report that non-viral Charge-Altering Releasable Transporters (CARTs) efficiently transfect primary human NK cells with mRNA without relying on NK cell activation. Compared to electroporation, CARTs transfect NK cells two orders of magnitude more efficiently, better preserve cell viability, and cause minimal reconfiguration of NK cell phenotype and function. Finally, we use CARTs to generate highly cytotoxic primary human chimeric antigen receptor NK cells, indicating potential therapeutic utility of this technique. To our knowledge, CARTs represent the first efficacious transfection technique for resting primary NK cells that preserves NK cell phenotype, and can drive new biological discoveries and clinical applications of this understudied lymphocyte subset.