Abstract Recently identified SARS-CoV-2 variants Mu and C.1.2 have mutations in the receptor binding domain and N- and C-terminal domains that might confer resistance to natural and vaccine-elicited antibody. Analysis with pseudotyped lentiviruses showed that viruses with the Mu and C.1.2 spike proteins were partially resistant to neutralization by antibodies in convalescent sera and those elicited by mRNA and adenoviral vector-based vaccine-elicited antibodies. Virus with the C.1.2 variant spike, which is heavily mutated, was more neutralization-resistant than that of any of variants of concern. The resistance of the C.1.2 spike was caused by a combination of the RBD mutations N501Y, Y449H and E484K and the NTD mutations. Although Mu and C.1.2 were partially resistant to neutralizing antibody, neutralizing titers elicited by mRNA vaccination remained above what is found in convalescent sera and thus are likely to remain protective against severe disease. The neutralizing titers of sera from infection-experienced BNT162b2-vaccinated individuals, those with a history of previous SARS-CoV-2 infection, were as much as 15-fold higher than those of vaccinated individuals without previous infection and effectively neutralized all of the variants. The findings demonstrate that individuals can raise a broadly neutralizing humoral response by generating a polyclonal response to multiple spike protein epitopes that should protect against current and future variants.

Summary Adaptive immune responses are induced by vaccination and infection, yet little is known about how CD4+ T cell memory differs when primed in these two contexts. Notably, viral infection is generally associated with higher levels of systemic inflammation than is vaccination. To assess whether the inflammatory milieu at the time of CD4+ T cell priming has long-term effects on memory, we compared Spike-specific memory CD4+ T cells in 22 individuals around the time of the participants’ third SARS-CoV-2 mRNA vaccination, with stratification by whether the participants’ first exposure to Spike was via virus or mRNA vaccine. Multimodal single-cell profiling of Spike-specific CD4+ T cells revealed 755 differentially expressed genes that distinguished infection- and vaccine-primed memory CD4+ T cells. Spike-specific CD4+ T cells from infection-primed individuals had strong enrichment for cytotoxicity and interferon signaling genes, whereas Spike-specific CD4+ T cells from vaccine-primed individuals were enriched for proliferative pathways by gene set enrichment analysis. Moreover, Spike-specific memory CD4+ T cells established by infection had distinct epigenetic landscapes driven by enrichment of IRF-family transcription factors, relative to T cells established by mRNA vaccination. This transcriptional imprint was minimally altered following subsequent mRNA vaccination or breakthrough infection, reflecting the strong bias induced by the inflammatory environment during initial memory differentiation. Together, these data suggest that the inflammatory context during CD4+ T cell priming is durably imprinted in the memory state at transcriptional and epigenetic levels, which has implications for personalization of vaccination based on prior infection history. One Sentence Summary SARS-CoV-2 infection versus SARS-CoV-2 mRNA vaccination prime durable transcriptionally and epigenetically distinct Spike-specific CD4+ T cell memory landscapes.

Memory CD4 T cells are critical to human immunity, yet it is unclear whether viral inflammation during memory formation has long-term consequences. Here, we compared transcriptional and epigenetic landscapes of Spike (S)–specific memory CD4 T cells in 24 individuals whose first exposure to S was via SARS-CoV-2 infection or mRNA vaccination. Nearly 2 years after memory formation, S-specific CD4 T cells established by infection remained enriched for transcripts related to cytotoxicity and for interferon-stimulated genes, likely because of a chromatin accessibility landscape altered by inflammation. Moreover, S-specific CD4 T cells primed by infection had reduced proliferative capacity in vitro relative to vaccine-primed cells. Furthermore, the transcriptional state of S-specific memory CD4 T cells was minimally altered by booster immunization and/or breakthrough infection. Thus, infection-associated inflammation durably imprints CD4 T cell memory, which affects the function of these cells and may have consequences for long-term immunity.

Abstract The increasing prevalence of SARS-CoV-2 variants with mutations in the spike protein has raised concerns that recovered individuals may not be protected from reinfection and that current vaccines will become less effective. The B.1.1.7 isolate identified in the United Kingdom and B.1.351 isolate identified in the Republic of South Africa encode spike proteins with multiple mutations in the S1 and S2 subunits. In addition, variants have been identified in Columbus, Ohio (COH.20G/677H), Europe (20A.EU2) and in domesticated minks. Analysis by antibody neutralization of pseudotyped viruses showed that convalescent sera from patients infected prior to the emergence of the variant viruses neutralized viruses with the B.1.1.7, B.1.351, COH.20G/677H Columbus Ohio, 20A.EU2 Europe and mink cluster 5 spike proteins with only a minor decrease in titer compared to that of the earlier D614G spike protein. Serum specimens from individuals vaccinated with the BNT162b2 mRNA vaccine neutralized D614G virus with titers that were on average 7-fold greater than convalescent sera. Vaccine elicited antibodies neutralized virus with the B.1.1.7 spike protein with titers similar to D614G virus and neutralized virus with the B.1.351 spike with, on average, a 3-fold reduction in titer (1:500), a titer that was still higher than the average titer with which convalescent sera neutralized D614G (1:139). The reduction in titer was attributable to the E484K mutation in the RBD. The B.1.1.7 and B.1.351 viruses were not more infectious than D614G on ACE2.293T cells in vitro but N501Y, an ACE2 contacting residue present in the B.1.1.7, B.1.351 and COH.20G/677H spike proteins caused higher affinity binding to ACE2, likely contributing to their increased transmissibility. These findings suggest that antibodies elicited by primary infection and by the BNT162b2 mRNA vaccine are likely to maintain protective efficacy against B.1.1.7 and most other variants but that the partial resistance of virus with the B.1.351 spike protein could render some individuals less well protected, supporting a rationale for the development of modified vaccines containing E484K.

Abstract The increasing prevalence of SARS-CoV-2 variants has raised concerns regarding possible decreases in vaccine efficacy. Here, neutralizing antibody titers elicited by mRNA-based and an adenoviral vector-based vaccine against variant pseudotyped viruses were compared. BNT162b2 and mRNA-1273-elicited antibodies showed modest neutralization resistance against Beta, Delta, Delta plus and Lambda variants whereas Ad26.COV2.S-elicited antibodies from a significant fraction of vaccinated individuals were of low neutralizing titer (IC 50 <50). The data underscore the importance of surveillance for breakthrough infections that result in severe COVID-19 and suggest the benefit of a second immunization following Ad26.COV2.S to increase protection against the variants.

Secretion of specific proteins contributes to pathogenesis and immune responses in tuberculosis and other bacterial infections, yet the kinetics of protein secretion and fate of secreted proteins in vivo are poorly understood. We generated new monoclonal antibodies that recognize the M. tuberculosis secreted protein, Ag85B, and used them to establish and characterize a sensitive ELISA to quantitate Ag85B in samples generated in vitro and in vivo. We found that nutritional or culture conditions had little impact on secretion of Ag85B, and that there is considerable variation in Ag85B secretion by distinct strains in the M. tuberculosis complex: compared with the commonly-used H37Rv strain (Lineage 4), M. africanum (Lineage 6) secretes less, and two strains from Lineage 2 secrete more Ag85B. We also used the ELISA to determine that the rate of secretion of Ag85B is 10-to 100-fold lower than that of proteins secreted by gram-negative and gram-positive bacteria, respectively. ELISA quantitation of Ag85B in lung homogenates of M. tuberculosis H37Rv-infected mice revealed that although Ag85B accumulates in the lungs as the bacterial population expands, the amount of Ag85B per bacterium decreases nearly 10,000-fold at later stages of infection, coincident with development of T cell responses and arrest of bacterial population growth. These results indicate that bacterial protein secretion in vivo is dynamic and regulated, and quantitation of secreted bacterial proteins can contribute to understanding pathogenesis and immunity in tuberculosis and other infections.Importance Bacterial protein secretion contributes to host-pathogen interactions, yet the process and consequences of bacterial protein secretion during infection are poorly understood. We developed a sensitive ELISA to quantitate a protein (termed Ag85B) secreted by M. tuberculosis and used it to find that Ag85B secretion occurs with slower kinetics than for proteins secreted by gram positive and gram negative bacteria, and that accumulation of Ag85B in the lungs is markedly regulated as a function of the bacterial population density. Our results demonstrate that quantitation of bacterial proteins during infection can reveal novel insights into host-pathogen interactions.

ABSTRACT In the initial stage of respiratory infection, Mycobacterium tuberculosis traverses from alveolar macrophages to phenotypically diverse monocyte-derived phagocytes and neutrophils in the lung parenchyma. Here, we compare the in vivo kinetics of early bacterial growth and cell-to-cell spread of two strains of M. tuberculosis : a lineage 2 strain, 4334, and the widely studied lineage 4 strain H37Rv. Using flow cytometry, live cell sorting of phenotypic subsets, and quantitation of bacteria in cells of the distinct subsets, we found that 4334 induces less leukocyte influx into the lungs but demonstrates earlier population expansion and cell-to-cell spread. The earlier spread of 4334 to recruited cells, including monocyte-derived dendritic cells, is accompanied by earlier and greater magnitude of CD4 + T cell activation. The results provide evidence that strain-specific differences in interactions with lung leukocytes can shape adaptive immune responses in vivo . IMPORTANCE Tuberculosis is a leading infectious disease killer world-wide and is caused by Mycobacterium tuberculosis . After exposure to M. tuberculosis, outcomes range from apparent elimination to active disease. Early innate immune responses may contribute to differences in outcomes, yet it is not known how bacterial strains alter the early dynamics of innate immune and T cell responses. We infected mice with distinct strains of M. tuberculosis and discovered striking differences in innate cellular recruitment, cell- to-cell spread of bacteria in the lungs, and kinetics of initiation of antigen-specific CD4 T cell responses. We also found that M. tuberculosis can spread beyond alveolar macrophages even before a large influx of inflammatory cells. These results provide evidence that distinct strains of M. tuberculosis can exhibit differential kinetics in cell-to- cell spread which is not directly linked to early recruitment of phagocytes but is subsequently linked to adaptive immune responses.