Here we have used a systems biology approach to study innate and adaptive responses to vaccination against influenza in humans during three consecutive influenza seasons. We studied healthy adults vaccinated with trivalent inactivated influenza vaccine (TIV) or live attenuated influenza vaccine (LAIV). TIV induced higher antibody titers and more plasmablasts than LAIV did. In subjects vaccinated with TIV, early molecular signatures correlated with and could be used to accurately predict later antibody titers in two independent trials. Notably, expression of the kinase CaMKIV at day 3 was inversely correlated with later antibody titers. Vaccination of CaMKIV-deficient mice with TIV induced enhanced antigen-specific antibody titers, which demonstrated an unappreciated role for CaMKIV in the regulation of antibody responses. Thus, systems approaches can be used to predict immunogenicity and provide new mechanistic insights about vaccines.

The 2009 pandemic H1N1 influenza pandemic demonstrated the global health threat of reassortant influenza strains. Herein, we report a detailed analysis of plasmablast and monoclonal antibody responses induced by pandemic H1N1 infection in humans. Unlike antibodies elicited by annual influenza vaccinations, most neutralizing antibodies induced by pandemic H1N1 infection were broadly cross-reactive against epitopes in the hemagglutinin (HA) stalk and head domain of multiple influenza strains. The antibodies were from cells that had undergone extensive affinity maturation. Based on these observations, we postulate that the plasmablasts producing these broadly neutralizing antibodies were predominantly derived from activated memory B cells specific for epitopes conserved in several influenza strains. Consequently, most neutralizing antibodies were broadly reactive against divergent H1N1 and H5N1 influenza strains. This suggests that a pan-influenza vaccine may be possible, given the right immunogen. Antibodies generated potently protected and rescued mice from lethal challenge with pandemic H1N1 or antigenically distinct influenza strains, making them excellent therapeutic candidates.

Significance Therapies that harness the immune system have recently been approved for cancer treatment. Identification of biomarkers to monitor or predict patients’ responses to immunotherapies would help guide treatment decisions. Herein we analyzed changes in peripheral blood T cells from lung cancer patients receiving immunotherapy blocking the PD-1 inhibitory pathway. We detected CD8 T-cell responses following treatment in most patients. In addition, our data suggest that an increase in proliferation of PD-1+ CD8 T cells in the blood within 4 wk of treatment initiation may be associated with positive clinical outcome. Our analysis provides valuable insights into cancer patients’ responses to PD-1–targeted therapies and warrant further studies on peripheral blood biomarkers.

The differentiation of human memory CD8 T cells is not well understood. Here we address this issue using the live yellow fever virus (YFV) vaccine, which induces long-term immunity in humans. We used in vivo deuterium labelling to mark CD8 T cells that proliferated in response to the virus and then assessed cellular turnover and longevity by quantifying deuterium dilution kinetics in YFV-specific CD8 T cells using mass spectrometry. This longitudinal analysis showed that the memory pool originates from CD8 T cells that divided extensively during the first two weeks after infection and is maintained by quiescent cells that divide less than once every year (doubling time of over 450 days). Although these long-lived YFV-specific memory CD8 T cells did not express effector molecules, their epigenetic landscape resembled that of effector CD8 T cells. This open chromatin profile at effector genes was maintained in memory CD8 T cells isolated even a decade after vaccination, indicating that these cells retain an epigenetic fingerprint of their effector history and remain poised to respond rapidly upon re-exposure to the pathogen. In vivo deuterium labelling reveals a quiescent population of long-lived human virus-specific memory CD8 T cells that maintain the epigenetic landscape of effector cells, which facilitates rapid responses to pathogen re-exposure. Memory cells protect against reinfection, or protect against infection after vaccination, but whether they are derived from naive or effector T cells is unknown. Rafi Ahmed and colleagues study the generation, maintenance and characteristics of long-lived memory CD8 T cells in humans after yellow fever vaccination and deuterium labelling. The study demonstrates that long-lived memory CD8 T cells are derived from cells that have divided extensively during the effector phase of the infection. Quiescent memory cells appear to revert to a naive phenotype but maintain an upregulated pattern of gene regulation that resembles effector T cells. In a second paper in this issue, Rafi Ahmed and colleagues examine changes in DNA methylation during effector and memory CD8 T cell differentiation, providing support for a model in which long-lived memory cells arise from a precursor of effector cells.

We have previously shown that broadly neutralizing antibodies reactive to the conserved stem region of the influenza virus hemagglutinin (HA) were generated in people infected with the 2009 pandemic H1N1 strain. Such antibodies are rarely seen in humans following infection or vaccination with seasonal influenza virus strains. However, the important question remained whether the inactivated 2009 pandemic H1N1 vaccine, like the infection, could also induce these broadly neutralizing antibodies. To address this question, we analyzed B-cell responses in 24 healthy adults immunized with the pandemic vaccine in 2009. In all cases, we found a rapid, predominantly IgG-producing vaccine-specific plasmablast response. Strikingly, the majority (25 of 28) of HA-specific monoclonal antibodies generated from the vaccine-specific plasmablasts neutralized more than one influenza strain and exhibited high levels of somatic hypermutation, suggesting they were derived from recall of B-cell memory. Indeed, memory B cells that recognized the 2009 pandemic H1N1 HA were detectable before vaccination not only in this cohort but also in samples obtained before the emergence of the pandemic strain. Three antibodies demonstrated extremely broad cross-reactivity and were found to bind the HA stem. Furthermore, one stem-reactive antibody recognized not only H1 and H5, but also H3 influenza viruses. This exceptional cross-reactivity indicates that antibodies capable of neutralizing most influenza subtypes might indeed be elicited by vaccination. The challenge now is to improve upon this result and design influenza vaccines that can elicit these broadly cross-reactive antibodies at sufficiently high levels to provide heterosubtypic protection.

Significance Vaccination is the most effective means of attaining protection against influenza viruses. However, the constantly evolving nature of influenza viruses enables them to escape preexisting immune surveillance, and thus thwarts public health efforts to control influenza annual epidemics and occasional pandemics. One solution is to elicit antibodies directed against highly conserved epitopes, such as those within the stem region of influenza HA, the principal target of virus-neutralizing antibody responses. This study shows that annual influenza vaccines induce antibody responses that are largely directed against the highly variable HA head region. In contrast, heterologous immunization with HA derived from influenza strains that are currently not circulating in humans (e.g. H5N1) can substantially increase HA stem-specific responses.