Summary Terminating the SARS-CoV-2 pandemic relies upon pan-global vaccination. Current vaccines elicit neutralizing antibody responses to the virus spike derived from early isolates. However, new strains have emerged with multiple mutations: P.1 from Brazil, B.1.351 from South Africa and B.1.1.7 from the UK (12, 10 and 9 changes in the spike respectively). All have mutations in the ACE2 binding site with P.1 and B.1.351 having a virtually identical triplet: E484K, K417N/T and N501Y, which we show confer similar increased affinity for ACE2. We show that, surprisingly, P.1 is significantly less resistant to naturally acquired or vaccine induced antibody responses than B.1.351 suggesting that changes outside the RBD impact neutralisation. Monoclonal antibody 222 neutralises all three variants despite interacting with two of the ACE2 binding site mutations, we explain this through structural analysis and use the 222 light chain to largely restore neutralization potency to a major class of public antibodies.

Increasing rates of autoimmune and inflammatory disease present a burgeoning threat to human health

SUMMARY Thousands of genetic associations with phenotypes of blood cells are known, but few are with phenotypes relevant to cell function. We performed GWAS of 63 flow-cytometry phenotypes, including measures of cell granularity, nucleic acid content, and reactivity, in 39,656 participants in the INTERVAL study, identifying 2,172 variant-trait associations. These include associations mediated by functional cellular structures such as secretory granules, implicated in vascular, thrombotic, inflammatory and neoplastic diseases. By integrating our results with epigenetic data and with signals from molecular abundance/disease GWAS, we infer the hematopoietic origins of population phenotypic variation and identify the transcription factor FOG2 as a regulator of platelet α -granularity. We show how flow cytometry genetics can suggest cell types mediating complex disease risk and suggest efficacious drug targets, presenting Daclizumab/Vedolizumab in autoimmune disease as positive controls. Finally, we add to existing evidence supporting IL7/IL7-R as drug targets for multiple sclerosis.

Abstract We identify amino acid variants within dominant SARS-CoV-2 T-cell epitopes by interrogating global sequence data. Several variants within nucleocapsid and ORF3a epitopes have arisen independently in multiple lineages and result in loss of recognition by epitope-specific T-cells assessed by IFN-γ and cytotoxic killing assays. These data demonstrate the potential for T-cell evasion and highlight the need for ongoing surveillance for variants capable of escaping T-cell as well as humoral immunity.

Abstract We analyzed the dynamics of the earliest T cell response to SARS-COV-2. A wave of TCRs strongly but transiently expand during infection, frequently peaking the same week as the first positive PCR test. These expanding TCR CDR3s were enriched for sequences functionally annotated as SARS-COV-2 specific. Most epitopes recognized by the expanding TCRs were highly conserved between SARS-COV-2 strains, but not with circulating human coronaviruses. Many expanding CDR3s were also present at high precursor frequency in pre-pandemic TCR repertoires. A similar set of early response TCRs specific for lymphocytic choriomeningitis virus epitopes were also found at high frequency in the pre-infection naïve repertoire. High frequency naïve precursors may allow the T cell response to respond rapidly during the crucial early phases of acute viral infection. One-Sentence Summary High frequency naïve precursors underly the rapid T cell response during the crucial early phases of acute viral infection.

Abstract Driven by the necessity to survive environmental pathogens, the human immune system has evolved exceptional diversity and plasticity, to which several factors contribute including inheritable structural polymorphism of the underlying genes. Characterizing this variation is challenging due to the complexity of these loci, which contain extensive regions of paralogy, segmental duplication and high copy-number repeats, but recent progress in long-read sequencing and optical mapping techniques suggests this problem may now be tractable. Here we assess this by using long-read sequencing platforms from PacBio and Oxford Nanopore, supplemented with short-read sequencing and Bionano optical mapping, to sequence DNA extracted from CD14 + monocytes and peripheral blood mononuclear cells from a single European individual identified as HV31. We use this data to build a de novo assembly of eight genomic regions encoding four key components of the immune system, namely the human leukocyte antigen, immunoglobulins, T cell receptors, and killer-cell immunoglobulin-like receptors. Validation of our assembly using k-mer based and alignment approaches suggests that it has high accuracy, with estimated base-level error rates below 1 in 10 kb, although we identify a small number of remaining structural errors. We use the assembly to identify heterozygous and homozygous structural variation in comparison to GRCh38. Despite analyzing only a single individual, we find multiple large structural variants affecting core genes at all three immunoglobulin regions and at two of the three T cell receptor regions. Several of these variants are not accurately callable using current algorithms, implying that further methodological improvements are needed. Our results demonstrate that assessing haplotype variation in these regions is possible given sufficiently accurate long-read and associated data; application of these methods to larger samples would provide a broader catalogue of germline structural variation at these loci, an important step toward making these regions accessible to large-scale genetic association studies.

Sepsis is a clinical syndrome of life-threatening organ dysfunction caused by a dysregulated response to infection, for which disease heterogeneity is a major obstacle to developing targeted treatments. We have previously identified gene-expression-based patient subgroups (sepsis response signatures [SRS]) informative for outcome and underlying pathophysiology. Here, we aimed to investigate the role of genetic variation in determining the host transcriptomic response and to delineate regulatory networks underlying SRS. Using genotyping and RNA-sequencing data on 638 adult sepsis patients, we report 16,049 independent expression (eQTLs) and 32 co-expression module (modQTLs) quantitative trait loci in this disease context. We identified significant interactions between SRS and genotype for 1,578 SNP-gene pairs and combined transcription factor (TF) binding site information (SNP2TFBS) and predicted regulon activity (DoRothEA) to identify candidate upstream regulators. Overall, these approaches identified putative mechanistic links between host genetic variation, cell subtypes, and the individual transcriptomic response to infection.

While many disease-associated variants have been identified through genome-wide association studies, their downstream molecular consequences remain unclear. To identify these effects, we performed cis- and trans-expression quantitative trait locus (eQTL) analysis in blood from 31,684 individuals through the eQTLGen Consortium. We observed that cis-eQTLs can be detected for 88% of the studied genes, but that they have a different genetic architecture compared to disease-associated variants, limiting our ability to use cis-eQTLs to pinpoint causal genes within susceptibility loci. In contrast, trans-eQTLs (detected for 37% of 10,317 studied trait-associated variants) were more informative. Multiple unlinked variants, associated to the same complex trait, often converged on trans-genes that are known to play central roles in disease etiology. We observed the same when ascertaining the effect of polygenic scores calculated for 1,263 genome-wide association study (GWAS) traits. Expression levels of 13% of the studied genes correlated with polygenic scores, and many resulting genes are known to drive these traits.

Abstract Natural Killer (NK) cells are innate lymphocytes with central roles in immunosurveillance and are implicated in autoimmune pathogenesis. The degree to which regulatory variants affect NK gene expression is poorly understood. We performed expression quantitative trait locus (eQTL) mapping of negatively selected NK cells from a population of healthy Europeans (n=245). We find a significant subset of genes demonstrate eQTL specific to NK cells and these are highly informative of human disease, in particular autoimmunity. An NK cell transcriptome-wide association study (TWAS) across five common autoimmune diseases identified further novel associations at 27 genes. In addition to these cis observations, we find novel master-regulatory regions impacting expression of trans gene networks at regions including 19q13.4, the Killer cell Immunoglobulin-like Receptor (KIR) Region, GNLY and MC1R . Our findings provide new insights into the unique biology of NK cells, demonstrating markedly different eQTL from other immune cells, with implications for disease mechanisms.

Vitamin D deficiency has been associated with multiple diseases, but the causal relevance and underlying processes are not fully understood. Elucidating the mechanisms of action of drug treatments in humans is challenging, but application of functional genomic approaches in randomised trials may afford an opportunity to systematically assess molecular responses to treatments. In the Biochemical Efficacy and Safety Trial of Vitamin D (BEST-D), 305 community-dwelling individuals aged over 65 years were randomly allocated to treatment with vitamin D3 4000 IU, 2000 IU or placebo daily for 12 months. Genome-wide genotypes at baseline and transcriptome and plasma levels of cytokines (IFN-γ, IL-10, IL-8, IL-6 and TNF-α) were measured at baseline and after 12 months. The trial had >90% power to detect a 2-fold change in gene expression. Allocation to vitamin D for 12-months was associated with 2-fold higher plasma levels of 25-hydroxy-vitamin D (25[OH]D), but had no significant effect on whole-blood gene expression (FDR <5%) or on plasma levels of cytokines compared with placebo. In pre-specified analysis, rs7041 (intron variant, GC) had a significant effect on circulating levels of 25(OH)D in the low dose but not on the placebo or high dose vitamin D regimen. A gene expression quantitative trait locus analysis (eQTL) demonstrated evidence of 31,568 cis-eQTLs (unique SNP-probe pairs) among individuals at baseline and 34,254 after supplementation for 12 months (any dose), but had no significant effect on cis-eQTLs specific to vitamin D supplementation. The trial demonstrates the feasibility of application of functional genomics approaches in randomised trials to assess the effects of vitamin D on immune function. Clinical Trial Registration: ISRCTN #07034656; EudraCT #2011-005763-24.