Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused the rapidly unfolding coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic1,2. Clinical manifestations of COVID-19 vary, ranging from asymptomatic infection to respiratory failure. The mechanisms that determine such variable outcomes remain unresolved. Here we investigated CD4+ T cells that are reactive against the spike glycoprotein of SARS-CoV-2 in the peripheral blood of patients with COVID-19 and SARS-CoV-2-unexposed healthy donors. We detected spike-reactive CD4+ T cells not only in 83% of patients with COVID-19 but also in 35% of healthy donors. Spike-reactive CD4+ T cells in healthy donors were primarily active against C-terminal epitopes in the spike protein, which show a higher homology to spike glycoproteins of human endemic coronaviruses, compared with N-terminal epitopes. Spike-protein-reactive T cell lines generated from SARS-CoV-2-naive healthy donors responded similarly to the C-terminal region of the spike proteins of the human endemic coronaviruses 229E and OC43, as well as that of SARS-CoV-2. This results indicate that spike-protein cross-reactive T cells are present, which were probably generated during previous encounters with endemic coronaviruses. The effect of pre-existing SARS-CoV-2 cross-reactive T cells on clinical outcomes remains to be determined in larger cohorts. However, the presence of spike-protein cross-reactive T cells in a considerable fraction of the general population may affect the dynamics of the current pandemic, and has important implications for the design and analysis of upcoming trials investigating COVID-19 vaccines. A study of patients with COVID-19 and healthy donors found CD4+ T cells that react to the spike protein of SARS-CoV-2 and human endemic coronaviruses; however, the effect of pre-existing SARS-CoV-2 cross-reactive T cells on clinical outcomes remains to be determined.

The functional relevance of preexisting cross-immunity to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a subject of intense debate. Here, we show that human endemic coronavirus (HCoV)–reactive and SARS-CoV-2–cross-reactive CD4+ T cells are ubiquitous but decrease with age. We identified a universal immunodominant coronavirus-specific spike peptide (S816-830) and demonstrate that preexisting spike- and S816-830–reactive T cells were recruited into immune responses to SARS-CoV-2 infection and their frequency correlated with anti–SARS-CoV-2-S1-IgG antibodies. Spike–cross-reactive T cells were also activated after primary BNT162b2 COVID-19 messenger RNA vaccination and displayed kinetics similar to those of secondary immune responses. Our results highlight the functional contribution of preexisting spike–cross-reactive T cells in SARS-CoV-2 infection and vaccination. Cross-reactive immunity may account for the unexpectedly rapid induction of immunity after primary SARS-CoV-2 immunization and the high rate of asymptomatic or mild COVID-19 disease courses.

Summary Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused a rapidly unfolding pandemic, overwhelming health care systems worldwide 1 . Clinical manifestations of Coronavirus-disease 2019 (COVID-19) vary broadly, ranging from asymptomatic infection to acute respiratory failure and death 2 , yet the underlying mechanisms for this high variability are still unknown. Similarly, the role of host immune responses in viral clearance of COVID-19 remains unresolved. For SARS-CoV (2002/03), however, it has been reported that CD4 + T cell responses correlated with positive outcomes 3,4 , whereas T cell immune responses to SARS-CoV-2 have not yet been characterized. Here, we describe an assay that allows direct detection and characterization of SARS-CoV-2 spike glycoprotein (S)-reactive CD4 + T cells in peripheral blood. We demonstrate the presence of S-reactive CD4 + T cells in 83% of COVID-19 patients, as well as in 34% of SARS-CoV-2 seronegative healthy donors (HD), albeit at lower frequencies. Strikingly, S-reactive CD4 + T cells in COVID-19 patients equally targeted N-terminal and C-terminal epitopes of S whereas in HD S-reactive CD4 + T cells reacted almost exclusively to the C-terminal epitopes that are a) characterized by higher homology with spike glycoprotein of human endemic “common cold” coronaviruses (hCoVs), and b) contains the S2 subunit of S with the cytoplasmic peptide (CP), the fusion peptide (FP), and the transmembrane domain (TM) but not the receptor-binding domain (RBD). In contrast to S-reactive CD4 + T cells in HD, S-reactive CD4 + T cells from COVID-19 patients co-expressed CD38 and HLA-DR, indivative of their recent in vivo activation. Our study is the first to directly measure SARS-CoV-2-reactive T cell responses providing critical tools for large scale testing and characterization of potential cross-reactive cellular immunity to SARS-CoV-2. The presence of pre-existing SARS-CoV-2-reactive T cells in a subset of SARS-CoV-2 naïve HD is of high interest but larger scale prospective cohort studies are needed to assess whether their presence is a correlate of protection or pathology for COVID-19. Results of such studies will be key for a mechanistic understanding of the SARS-CoV-2 pandemic, adaptation of containment methods and to support vaccine development.

Immune evasion by escape mutations subverts immunity against SARS-CoV-2. A role of pan-coronavirus immunity for more durable protection is being discussed but has remained understudied. We here investigated the effects of age, mutations, and homo-/heterologous vaccination regimens on the dominant pan-coronavirus-specific cellular and humoral epitope iCope after SARS-CoV-2 infection and vaccination in detail. In the older, quantitatively, and qualitatively reduced iCope-reactive CD4+ T cell responses with narrow TCR repertoires could not be enhanced by vaccination and were further compromised by emerging spike mutations. In contrast pan-coronavirus-reactive humoral immunity was affected only by mutations and not by age. Our results reveal a distinct deficiency of the dichotomous layer of pan-coronavirus immunity in the older, critical for long-term protection against SARS-CoV-2 variants.