In the present study, we have investigated the distribution of HIV-specific and HIV-infected CD4 T cells within different populations of memory CD4 T cells isolated from lymph nodes of viremic HIV-infected subjects. Four memory CD4 T cell populations were identified on the basis of the expression of CXCR5, PD-1, and Bcl-6: CXCR5−PD-1−Bcl-6−, CXCR5+PD-1−Bcl-6−, CXCR5−PD-1+Bcl-6−, and CXCR5+PD-1+Bcl-6+. On the basis of Bcl-6 expression and functional properties (IL-21 production and B cell help), the CXCR5+PD-1+Bcl-6+ cell population was considered to correspond to the T follicular helper (Tfh) cell population. We show that Tfh and CXCR5−PD-1+ cell populations are enriched in HIV-specific CD4 T cells, and these populations are significantly increased in viremic HIV-infected subjects as compared with healthy subjects. The Tfh cell population contained the highest percentage of CD4 T cells harboring HIV DNA and was the most efficient in supporting productive infection in vitro. Replication competent HIV was also readily isolated from Tfh cells in subjects with nonprogressive infection and low viremia (<1,000 HIV RNA copies). However, only the percentage of Tfh cells correlated with the levels of plasma viremia. These results demonstrate that Tfh cells serve as the major CD4 T cell compartment for HIV infection, replication, and production.

Correlates of immune-mediated protection to most viral and cancer vaccines are still unknown. This impedes the development of novel vaccines to incurable diseases such as HIV and cancer. In this study, we have used functional genomics and polychromatic flow cytometry to define the signature of the immune response to the yellow fever (YF) vaccine 17D (YF17D) in a cohort of 40 volunteers followed for up to 1 yr after vaccination. We show that immunization with YF17D leads to an integrated immune response that includes several effector arms of innate immunity, including complement, the inflammasome, and interferons, as well as adaptive immunity as shown by an early T cell response followed by a brisk and variable B cell response. Development of these responses is preceded, as demonstrated in three independent vaccination trials and in a novel in vitro system of primary immune responses (modular immune in vitro construct [MIMIC] system), by the coordinated up-regulation of transcripts for specific transcription factors, including STAT1, IRF7, and ETS2, which are upstream of the different effector arms of the immune response. These results clearly show that the immune response to a strong vaccine is preceded by coordinated induction of master transcription factors that lead to the development of a broad, polyfunctional, and persistent immune response that integrates all effector cells of the immune system.

Programmed death-1 (PD-1) and interleukin-10 (IL-10) impair T cell function during chronic viral infections. Microbial products are now found to inhibit T cell function during HIV infection by upregulating PD-1 and IL-10 production by monocytes. Viral replication and microbial translocation from the gut to the blood during HIV infection lead to hyperimmune activation, which contributes to the decline in CD4+ T cell numbers during HIV infection. Programmed death-1 (PD-1) and interleukin-10 (IL-10) are both upregulated during HIV infection. Blocking interactions between PD-1 and programmed death ligand-1 (PD-L1) and between IL-10 and IL-10 receptor (IL-10R) results in viral clearance and improves T cell function in animal models of chronic viral infections. Here we show that high amounts of microbial products and inflammatory cytokines in the plasma of HIV-infected subjects lead to upregulation of PD-1 expression on monocytes that correlates with high plasma concentrations of IL-10. Triggering of PD-1 expressed on monocytes by PD-L1 expressed on various cell types induced IL-10 production and led to reversible CD4+ T cell dysfunction. We describe a new function for PD-1 whereby microbial products inhibit T cell expansion and function by upregulating PD-1 levels and IL-10 production by monocytes after binding of PD-1 by PD-L1.

Adjuvants are critical for the success of vaccines. Agonists of microbial pattern recognition receptors (PRRs) are promising new adjuvant candidates. A mechanism through which adjuvants enhance immune responses is to stimulate innate immunity. We studied the innate immune response in humans to synthetic double-stranded RNA (polyinosinic:polycytidylic acid [poly IC] stabilized with poly-l-lysine [poly ICLC]), an agonist for toll-like receptor (TLR) 3, and the cytosolic RNA helicase MDA-5. Transcriptional analysis of blood samples from eight volunteers, after subcutaneous administration of poly ICLC, showed up-regulation of genes involved in multiple innate immune pathways in all subjects, including interferon (IFN) and inflammasome signaling. Blocking type I IFN receptor ex vivo significantly dampened the response to poly IC. Comparative transcriptional analysis showed that several innate immune pathways were similarly induced in volunteers immunized with the highly efficacious yellow fever vaccine. Therefore, a chemically defined PRR agonist like poly ICLC can be a reliable and authentic microbial mimic for inducing innate immune responses in humans.

Type I interferons (IFNs) play an important role in direct antiviral defense as well as linking the innate and adaptive immune responses. On dendritic cells (DCs), IFNs facilitate their activation and contribute to CD8+ and CD4+ T cell priming. However, the precise molecular mechanism by which IFNs regulate maturation and immunogenicity of DCs in vivo has not been studied in depth. Here we show that, after in vivo stimulation with the TLR ligand poly IC, IFNs dominate transcriptional changes in DCs. In contrast to direct TLR3/mda5 signaling, IFNs are required for upregulation of all pathways associated with DC immunogenicity. In addition, metabolic pathways, particularly the switch from oxidative phosphorylation to glycolysis, are also regulated by IFNs and required for DC maturation. These data provide evidence for a metabolic reprogramming concomitant with DC maturation and offer a novel mechanism by which IFNs modulate DC maturation.

BACKGROUNDPatients hospitalized for COVID-19 exhibit diverse clinical outcomes, with outcomes for some individuals diverging over time even though their initial disease severity appears similar to that of other patients. A systematic evaluation of molecular and cellular profiles over the full disease course can link immune programs and their coordination with progression heterogeneity.METHODSWe performed deep immunophenotyping and conducted longitudinal multiomics modeling, integrating 10 assays for 1,152 Immunophenotyping Assessment in a COVID-19 Cohort (IMPACC) study participants and identifying several immune cascades that were significant drivers of differential clinical outcomes.RESULTSIncreasing disease severity was driven by a temporal pattern that began with the early upregulation of immunosuppressive metabolites and then elevated levels of inflammatory cytokines, signatures of coagulation, formation of neutrophil extracellular traps, and T cell functional dysregulation. A second immune cascade, predictive of 28-day mortality among critically ill patients, was characterized by reduced total plasma Igs and B cells and dysregulated IFN responsiveness. We demonstrated that the balance disruption between IFN-stimulated genes and IFN inhibitors is a crucial biomarker of COVID-19 mortality, potentially contributing to failure of viral clearance in patients with fatal illness.CONCLUSIONOur longitudinal multiomics profiling study revealed temporal coordination across diverse omics that potentially explain the disease progression, providing insights that can inform the targeted development of therapies for patients hospitalized with COVID-19, especially those who are critically ill.TRIAL REGISTRATIONClinicalTrials.gov NCT04378777.FUNDINGNIH (5R01AI135803-03, 5U19AI118608-04, 5U19AI128910-04, 4U19AI090023-11, 4U19AI118610-06, R01AI145835-01A1S1, 5U19AI062629-17, 5U19AI057229-17, 5U19AI125357-05, 5U19AI128913-03, 3U19AI077439-13, 5U54AI142766-03, 5R01AI104870-07, 3U19AI089992-09, 3U19AI128913-03, and 5T32DA018926-18); NIAID, NIH (3U19AI1289130, U19AI128913-04S1, and R01AI122220); and National Science Foundation (DMS2310836).

Abstract It has been estimated that more than 390 million people are infected with Dengue virus every year; around 96 millions of these infections result in clinical pathologies. To date, there is only one licensed viral vector-based Dengue virus vaccine CYD-TDV approved for use in dengue endemic areas. While initially approved for administration independent of serostatus, the current guidance only recommends the use of this vaccine for seropositive individuals. Therefore, there is a critical need for investigating the influence of Dengue virus serostatus and immunological mechanisms that influence vaccine outcome. Here, we provide comprehensive evaluation of sero-status and host immune factors that correlate with robust immune responses to a Dengue virus vector based tetravalent vaccine (TV003) in a Phase II clinical cohort of human participants. We observed that sero-positive individuals demonstrate a much stronger immune response to the TV003 vaccine. Our multi-layered immune profiling revealed that sero-positive subjects have increased baseline/pre-vaccination frequencies of circulating T follicular helper (cTfh) cells and the Tfh related chemokine CXCL13/BLC. Importantly, this baseline/pre-vaccination cTfh profile correlated with the vaccinees’ ability to launch neutralizing antibody response against all four sero-types of Dengue virus, an important endpoint for Dengue vaccine clinical trials. Overall, we provide novel insights into the favorable cTfh related immune status that persists in Dengue virus sero-positive individuals that correlate with their ability to mount robust vaccine specific immune responses. Such detailed interrogation of cTfh cell biology in the context of clinical vaccinology will help uncover mechanisms and targets for favorable immuno-modulatory agents. Author summary Dengue virus (DENV) is a worldwide threat that causes significant health and economic burden. Currently, there are several challenges in the development of a DENV vaccine including the existence of four different serotypes all; capable of causing disease and antibody dependent enhancement (ADE). For complete protection, a vaccine must be able to generate neutralizing antibodies against all 4 serotypes to avoid ADE. Currently, there is one licensed DENV vaccine, CYD-TDV (DENGVAXIA TM ). However, this vaccine is only efficacious in protecting against severe disease in DENV seropositive individuals therefore serostatus effect must be further studied for optimal vaccine design. A subset of CD4+ T cells called T-follicular helper (Tfh) cells have been well known to play a major role in aiding high affinity antibody production. Therefore, we chose to look at subsets of Tfh and the cytokines they produce in human blood that can serve as biomarkers for effective vaccine design. We found that DENV sero-positive participants had increased pre-vaccination frequencies of Tfh cells and higher levels of the Tfh related chemokine CXCL13/BLC that plays a role in directing antigen-specific responses. This pre-vaccination Tfh profile and CXCL13/BLC are then correlated positively with the vaccinees’ ability to produce neutralizing antibody against all four sero-types (breadth of the Response) of DENV, an important goal for all DENV vaccine trials.