Abstract High-throughput sequencing of adaptive immune receptor repertoires is a valuable tool for receiving insights in adaptive immunity studies. Several powerful TCR/BCR repertoire reconstruction and analysis methods have been developed in the past decade. However, detecting and correcting the discrepancy between real and experimentally observed lymphocyte clone frequencies is still challenging. Here we discovered a hallmark anomaly in the ratio between read count and clone count-based frequencies of non-functional clonotypes in multiplex PCR-based immune repertoires. Calculating this anomaly, we formulated a quantitative measure of V- and J-genes frequency bias driven by multiplex PCR during library preparation called Over Amplification Rate (OAR). Based on the OAR concept, we developed an original software for multiplex PCR-specific bias evaluation and correction named iROAR: Immune Repertoire Over Amplification Removal ( https://github.com/smiranast/iROAR ). The iROAR algorithm was successfully tested on previously published TCR repertoires obtained using both 5’ RACE (Rapid Amplification of cDNA Ends)-based and multiplex PCR-based approaches and compared with a biological spike-in-based method for PCR bias evaluation. The developed approach can increase the accuracy and consistency of repertoires reconstructed by different methods making them more applicable for comparative analysis.

Abstract T-cell receptor (TCR) diversity is generated by VDJ recombination. The classical course of TCR beta (TRB) chain production starts with D and J segment recombination and finishes with subsequent recombination between the resulting DJ junction and V segment. In this study, we performed deep sequencing of poorly explored incomplete TRBD1 to TRBD2 rearrangements in T-cell genomic DNA. We reconstructed full repertoires of human incomplete TRB DD rearrangements and validated its authenticity by detecting excision circles with RSS (recombination signal sequence) junctions for the first time. The identified rearrangements generated in compliance with the classical 12/23 rule are common for humans, rats, and mice and contain typical VDJ recombination footprints. Detected bimodal distribution of DD junctions indicates two active recombination sites producing long and short DD rearrangements. Unlike long DD rearrangements, the short ones have unusual origin resulting from non-canonical intrachromosomal RSSs’ junctions formation. Identified DD rearrangements lead to deleting J1 and C1 segments and creating diverse hybrid D segments, which recombine further with J2 and V segments. Resulting functional TRB VDDJ rearrangements are present in the memory T-cells subset proving its participation in antigen recognition.

The COVID-19 pandemic clearly demonstrates the need to monitor the spread of infectious diseases and population immunity. Probing adaptive immunity by sequencing the repertoire of antigen receptors (Rep-Seq) encoding specificity and immunological memory has become a method of choice for immunology studies. Rep-Seq can detect the imprint of past and ongoing infections and study individual responses to SARS-CoV-2 as shown in a number of recent studies. Here we apply a machine learning approach to two large datasets with more than 1200 high-quality repertoires from healthy and COVID-19-convalescent donor repertoires to infer T-cell receptor (TCR) repertoire features that were induced by SARS-CoV-2 exposure. Proper standardization of Rep-Seq batches, access to human leukocyte antigen (HLA) typing and both α- and β-chain sequences of TCRs allowed us to generate a high-quality biomarker database and build a robust and highly accurate classifier for COVID-19 exposure applicable to individual TCR repertoires obtained using different protocols, paving a way to Rep-Seq-based immune status assessment in large cohorts of donors.

T-cell receptor (TCR) repertoire data contain information about infections that could be used in disease diagnostics and vaccine development, but extracting that information remains a major challenge. Here we developed a statistical framework to detect TCR clone proliferation and contraction from longitudinal repertoire data. We applied this framework to data from three pairs of identical twins immunized with the yellow fever vaccine. We identified 500-1500 responding TCRs in each donor and validated them using three independent assays. While the responding TCRs were mostly private, albeit with higher overlap between twins, they could be well predicted using a classifier based on sequence similarity. Our method can also be applied to samples obtained post-infection, making it suitable for systematic discovery of new infection-specific TCRs in the clinic.

Background: There is increasing evidence that the transpositional activity of retroelements (REs) is not limited to germ line cells, but often occurs in tumor and normal somatic cells. Somatic transpositions were found in several human tissues and are especially typical for the brain. Several computational and experimental approaches for detection of somatic retroelement insertions was developed in the past few years. These approaches were successfully applied to detect somatic insertions in clonally expanded tumor cells. At the same time, identification of somatic insertions presented in small proportion of cells, such as neurons, remains a considerable challenge. Results: In this study, we developed a normalization procedure for library enrichment by DNA sequences corresponding to rare somatic RE insertions. Two rounds of normalization increased the number of fragments adjacent to somatic REs in the sequenced sample by more than 26-fold, and the number of identified somatic REs was increased by 7.9-fold. Conclusions: The developed technique can be used in combination with vast majority of modern RE identification approaches and can dramatically increase their capacity to detect rare somatic RE insertions in different types of cells.

Abstract The fusion gene MLL-AF4 defines a high-risk subtype of pro-B acute lymphoblastic leukaemia. However, relapse can be associated with a switch from acute lymphoblastic to acute myeloid leukaemia. Here we show that these myeloid relapses share oncogene fusion breakpoints with their matched lymphoid presentations and can originate in either early, multipotent progenitors or committed B-cell precursors. Lineage switching is linked to substantial changes in chromatin accessibility and rewiring of transcriptional programmes indicating that the execution and maintenance of lymphoid lineage differentiation is impaired. We show that this subversion is recurrently associated with the dysregulation of repressive chromatin modifiers, notably the nucleosome remodelling and deacetylation complex, NuRD. In addition to mutations, we show differential expression or alternative splicing of NuRD members and other genes is able to reprogram the B lymphoid into a myeloid gene regulatory network. Lineage switching in MLL-AF4 leukaemia is therefore driven and maintained by defunct epigenetic regulation. Statement of Significance We demonstrate diverse cellular origins of lineage switched relapse within MLL - AF4 pro-B acute leukaemia. Irrespective of the developmental origin of relapse, dysregulation of NuRD and/or other epigenetic machinery underpins fundamental lineage reprogramming with profound implications for the increasing use of epitope directed therapies in this high-risk leukaemia.