The human immune system is composed of a distributed network of cells circulating throughout the body, which must dynamically form physical associations and communicate using interactions between their cell-surface proteomes1. Despite their therapeutic potential2, our map of these surface interactions remains incomplete3,4. Here, using a high-throughput surface receptor screening method, we systematically mapped the direct protein interactions across a recombinant library that encompasses most of the surface proteins that are detectable on human leukocytes. We independently validated and determined the biophysical parameters of each novel interaction, resulting in a high-confidence and quantitative view of the receptor wiring that connects human immune cells. By integrating our interactome with expression data, we identified trends in the dynamics of immune interactions and constructed a reductionist mathematical model that predicts cellular connectivity from basic principles. We also developed an interactive multi-tissue single-cell atlas that infers immune interactions throughout the body, revealing potential functional contexts for new interactions and hubs in multicellular networks. Finally, we combined targeted protein stimulation of human leukocytes with multiplex high-content microscopy to link our receptor interactions to functional roles, in terms of both modulating immune responses and maintaining normal patterns of intercellular associations. Together, our work provides a systematic perspective on the intercellular wiring of the human immune system that extends from systems-level principles of immune cell connectivity down to mechanistic characterization of individual receptors, which could offer opportunities for therapeutic intervention.

Abstract Trypanosomes are protozoan parasites that cause infectious diseases including human African trypanosomiasis (sleeping sickness), and nagana in economically-important livestock animals 1,2 . An effective vaccine against trypanosomes would be an important control tool, but the parasite has evolved sophisticated immunoprotective mechanisms including antigenic variation 3 that present an apparently insurmountable barrier to vaccination. Here we show using a systematic genome-led vaccinology approach 4 and a murine model of Trypanosoma vivax infection 5 that protective invariant subunit vaccine antigens can be identified. Vaccination with a single recombinant protein comprising the extracellular region of a conserved cell surface protein localised to the flagellum membrane termed “invariant flagellum antigen from T. vivax ” (IFX) induced long-lasting protection. Immunity was passively transferred with immune serum, and recombinant monoclonal antibodies to IFX could induce sterile protection and revealed multiple mechanisms of antibody-mediated immunity, including a major role for complement. Our discovery identifies a vaccine candidate for an important parasitic disease that has constrained the socioeconomic development of sub-Saharan African countries 6 and challenges long-held views that vaccinating against trypanosome infections cannot be achieved.

Sporozoite invasion of hepatocytes is a necessary step prior to development of malaria, with similarities, at the cellular level, to merozoite invasion of erythrocytes. In the case of the malaria blood-stage, efforts to identify host-pathogen protein-protein interactions have yielded important insights including vaccine candidates. In the case of sporozoite-hepatocyte invasion, the host-pathogen protein-protein interactions involved are poorly understood. Here, we performed a systematic screen to identify such interactions. We substantially extended previous Plasmodium falciparum and human surface protein ectodomain libraries, creating new libraries containing 88 P. falciparum sporozoite protein coding sequences and 182 sequences encoding human hepatocyte surface proteins. Having expressed recombinant proteins from these sequences, we used a plate-based assay capable of detecting low affinity interactions between recombinant proteins, modified for enhanced throughput, to screen the proteins for interactions. We were able to test 7540 sporozoite-hepatocyte protein pairs under conditions likely to be sensitive for interaction. We report and characterise an interaction between human fibroblast growth factor receptor 4 (FGFR4) and the P. falciparum protein Pf34, and describe an additional interaction between human low-density lipoprotein receptor (LDLR) and the P. falciparum protein PIESP15. Strategies to inhibit these interactions may have value in malaria prevention, and the modified interaction screening assay and protein expression libraries we report may be of wider value to the community.

Abstract Plasmodium falciparum RH5 is a secreted parasite ligand that is essential for erythrocyte invasion through direct interaction with the host erythrocyte receptor basigin. RH5 forms a tripartite complex with two other secreted parasite proteins: CyRPA and RIPR, and is tethered to the surface of the parasite through membrane-anchored P113. Antibodies against RH5, CyRPA and RIPR inhibit parasite invasion, suggesting that vaccines containing these three components have the potential to prevent blood-stage malaria. To further explore the role of the P113-RH5 interaction, we selected monoclonal antibodies against P113 that were either inhibitory or non-inhibitory for RH5 binding. Using a Fab fragment as a crystallisation chaperone, we determined the crystal structure of the RH5-binding region of P113 and showed that it is composed of two domains with structural similarities to rhamnose-binding lectins. We identified the RH5 binding site on P113 by using a combination of hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry and site directed mutagenesis. We found that a monoclonal antibody to P113 that bound to this interface and inhibited the RH5-P113 interaction did not inhibit parasite blood-stage growth. These findings provide further structural information on the protein interactions of RH5 and will be helpful in the development of blood-stage malaria vaccines that target RH5. Importance Malaria is a deadly infectious disease primarily caused by the parasite Plasmodium falciparum. It remains a major global health problem and there is no highly effective vaccine. A parasite protein called RH5 is centrally involved in the invasion of host red blood cells, making it – and the other parasite proteins it interacts with – promising vaccine targets. We recently identified a protein called P113 that binds RH5 suggesting that it anchors RH5 to the parasite surface. In this paper, we use structural biology to locate and characterize the RH5 binding region on P113. These findings will be important to guide the development of new anti-malarial vaccines to ultimately prevent this disease which affects some of the poorest people on the planet.