Generating effective and durable T cell immunity is a critical prerequisite for vaccination against dengue virus (DENV) and other viral diseases. Understanding the precise molecular mechanisms of vaccine-elicited T cell immunity remains a critical knowledge gap in vaccinology. In this study, we utilized single-cell RNA sequencing (scRNAseq) and TCR clonotype analysis to demonstrate that a unique transcriptional signature is present in acutely-activated and clonally-expanded T cells that become committed to the memory repertoire. This effector-associated transcriptional signature is dominated by a unique metabolic transcriptional program. Based on this transcriptional signature, we were able to define a set of functional markers that identify the most potent and durable vaccine-reactive memory precursor CD8+ T cells. The transferrin receptor (CD71) other important transporters of amino acids, and direct measurements of glucose and fatty acid uptake, were further validated as early markers of durable T cell memory using conventional flow cytometry. These data suggest that generating durable T cell immunity is a process that is determined by metabolic programming and metabolite availability during the acute phase of the immune response. This study illustrates the power of scRNAseq as an analytical tool to assess the molecular mechanisms of host control and vaccine modality in determining the magnitude, diversity, and persistence of vaccine-elicited cell-mediated immunity.

Dengue virus (DENV) is the causative agent of dengue, a mosquito-borne disease that represents a significant and growing public health burden around the world. A unique pathophysiological feature of dengue is immune-mediated enhancement, wherein preexisting immunity elicited by a primary infection can enhance the severity of a subsequent infection by a heterologous DENV serotype. A leading mechanistic explanation for this phenomenon is antibody dependent enhancement (ADE), where sub-neutralizing concentrations of DENV-specific IgG antibodies facilitate entry of DENV into FcgR expressing cells such as monocytes, macrophages, and dendritic cells. Accordingly, this model posits that phagocytic mononuclear cells are the primary reservoir of DENV. However, analysis of samples from individuals experiencing acute DENV infection reveals that B cells are the largest reservoir of infected circulating cells, representing a disconnect in our understanding of immune-mediated DENV tropism. In this study, we demonstrate that the expression of a DENV-specific B cell receptor (BCR) renders cells highly susceptible to DENV infection, with the infection-enhancing activity of the membrane-restricted BCR correlating with the ADE potential of the IgG version of the antibody. In addition, we observed that the frequency of DENV-infectable B cells increases in previously flavivirus-naive volunteers after a primary DENV infection, and that the direct infection of B cells by DENV results in a pro-inflammatory cytokine response. These findings suggest that BCR-dependent infection of B cells is a novel mechanism of viral entry during DENV infection, and could contribute to immune-mediated enhancement of dengue pathogenesis.

Dengue is one of the most widespread vector-borne viral diseases in the world. However, the size, heterogeneity, and temporal dynamics of the cell-associated viral reservoir during acute dengue virus (DENV) infection remains unclear. In this study, we analyzed cells infected in vitro with DENV and PBMC from an individual experiencing a natural DENV infection utilizing 5' capture single cell RNA sequencing (scRNAseq). Both positive- and negative-sense DENV RNA was detected in reactions containing either an oligo(dT) primer alone, or in reactions supplemented with a DENV-specific primer. The addition of a DENV-specific primer did not increase the total amount of DENV RNA captured or the fraction of cells identified as containing DENV RNA. However, inclusion of a DENV-specific cDNA primer did increase the viral genome coverage immediately 5’ to the primer binding site. Furthermore, while the majority of intracellular DENV sequence captured in this analysis mapped to the 5’ end of the viral genome, distinct patterns of enhanced coverage within the DENV polyprotein coding region were observed. The 5' capture scRNAseq analysis of PBMC not only recapitulated previously published reports by detecting virally infected memory and naïve B cells, but also identified cell-associated genomic variants not observed in contemporaneous serum samples. These results demonstrate that oligo(dT) primed 5’ capture scRNAseq can detect DENV RNA and quantify virus-infected cells in physiologically relevant conditions, and provides insight into viral sequence variability within infected cells.

Abstract Controlled dengue human infection studies present an opportunity to address many longstanding questions in the field of flavivirus biology. However, limited data are available on how the immunological and transcriptional response elicited by an attenuated challenge virus compares to that associated with a wild-type DENV infection. To bridge this knowledge gap, we utilized scRNAseq to analyze PBMC from individuals enrolled in a DENV-1 controlled human challenge study and from individuals experiencing a natural primary DENV-1 infection. While both controlled and natural DENV infection resulted in overlapping patterns of inflammatory gene upregulation, natural DENV infection was accompanied with a more pronounced suppression in gene products associated with protein translation and mitochondrial function, principally in monocytes. This suggests that the immune response elicited by controlled and natural primary DENV infection are similar, but that natural DENV infection has a more pronounced impact on basic cellular processes to induce a multi-layered anti-viral state

Abstract Dengue virus (DENV) is a prevalent human pathogen, infecting approximately 400 million individuals per year and causing symptomatic disease in approximately 100 million. A distinct feature of dengue is the increased risk for severe disease in some individuals with preexisting DENV-specific immunity. One proposed mechanism for this phenomenon is antibody-dependent enhancement (ADE), in which poorly-neutralizing IgG antibodies from a prior infection opsonize DENV to increase infection of F c gamma receptor-bearing cells. While IgM and IgG are the most commonly studied DENV-reactive antibody isotypes, our group and others have described the induction of DENV-specific serum IgA responses during dengue. We hypothesized that monomeric IgA would be able to neutralize DENV without the possibility of ADE. To test this, we synthesized IgG and IgA versions of two different DENV-reactive monoclonal antibodies. We demonstrate that isotype-switching does not affect the antigen binding and neutralization properties of the two mAbs. We show that DENV-reactive IgG, but not IgA, mediates ADE in an F c gamma receptor-positive K562 cells. Furthermore, we show that IgA potently antagonizes the ADE activity of IgG. These results suggest that levels of serum DENV-reactive IgA induced by DENV infection might regulate the overall ADE activity of DENV-immune plasma in vivo and warrants further study as a predictor of disease risk and/or therapeutic.

ABSTRACT Vaccine-elicited SARS-CoV-2 antibody responses are an established correlate of protection against viral infection in humans and non-human primates. However, it is less clear that vaccine-induced immunity is able to limit infection-elicited inflammation in the lower respiratory tract. To assess this, we collected bronchoalveolar lavage fluid samples post-SARS-CoV-2 strain USA-WA1/2020 challenge from rhesus macaques vaccinated with mRNA-1273 in a dose-reduction study. Single-cell transcriptomic profiling revealed a broad cellular landscape 48 hours post-challenge with distinct inflammatory signatures that correlated with viral RNA burden in the lower respiratory tract. These inflammatory signatures included phagocyte-restricted expression of chemokines such as CXCL10 (IP10) and CCL3 (MIP-1A) and the broad expression of interferon-induced genes such as MX1, ISG15 , and IFIT1 . Induction of these inflammatory profiles was suppressed by prior mRNA-1273 vaccination in a dose-dependent manner, and negatively correlated with pre-challenge serum and lung antibody titers against SARS-CoV-2 spike. These observations were replicated and validated in a second independent macaque challenge study using the B.1.351/beta-variant of SARS-CoV-2. These data support a model wherein vaccine-elicited antibody responses restrict viral replication following SARS-CoV-2 exposure, including limiting viral dissemination to the lower respiratory tract and infection-mediated inflammation and pathogenesis. One Sentence Summary Single cell RNA sequencing analysis demonstrates that mRNA-1273 vaccination limits the development of lower respiratory tract inflammation in SARS-CoV-2 challenged rhesus macaques