The study of T regulatory cells (T reg cells) has been limited by the lack of specific surface markers and an inability to define mechanisms of suppression. We show that the expression of CD39/ENTPD1 in concert with CD73/ecto-5′-nucleotidase distinguishes CD4+/CD25+/Foxp3+ T reg cells from other T cells. These ectoenzymes generate pericellular adenosine from extracellular nucleotides. The coordinated expression of CD39/CD73 on T reg cells and the adenosine A2A receptor on activated T effector cells generates immunosuppressive loops, indicating roles in the inhibitory function of T reg cells. Consequently, T reg cells from Cd39-null mice show impaired suppressive properties in vitro and fail to block allograft rejection in vivo. We conclude that CD39 and CD73 are surface markers of T reg cells that impart a specific biochemical signature characterized by adenosine generation that has functional relevance for cellular immunoregulation.

Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) is a cell-mediated autoimmune disease that serves as an animal model for multiple sclerosis. Oral administration of myelin basic protein (MBP) suppresses EAE by inducing peripheral tolerance. T cell clones were isolated from the mesenteric lymph nodes of SJL mice that had been orally tolerized to MBP. These clones were CD4 + and were structurally identical to T helper cell type 1 (T H 1) encephalitogenic CD4 + clones in T cell receptor usage, major histocompatibility complex restriction, and epitope recognition. However, they produced transforming growth factor-β with various amounts of interleukin-4 and interleukin-10 and suppressed EAE induced with either MBP or proteolipid protein. Thus, mucosally derived T H 2-like clones induced by oral antigen can actively regulate immune responses in vivo and may represent a different subset of T cells.

Both the programmed death (PD) 1–PD-ligand (PD-L) pathway and regulatory T (T reg) cells are instrumental to the maintenance of peripheral tolerance. We demonstrate that PD-L1 has a pivotal role in regulating induced T reg (iT reg) cell development and sustaining iT reg cell function. PD-L1−/− antigen-presenting cells minimally convert naive CD4 T cells to iT reg cells, showing the essential role of PD-L1 for iT reg cell induction. PD-L1–coated beads induce iT reg cells in vitro, indicating that PD-L1 itself regulates iT reg cell development. Furthermore, PD-L1 enhances and sustains Foxp3 expression and the suppressive function of iT reg cells. The obligatory role for PD-L1 in controlling iT reg cell development and function in vivo is illustrated by a marked reduction in iT reg cell conversion and rapid onset of a fatal inflammatory phenotype in PD-L1−/−PD-L2−/− Rag−/− recipients of naive CD4 T cells. PD-L1 iT reg cell development is mediated through the down-regulation of phospho-Akt, mTOR, S6, and ERK2 and concomitant with the up-regulation of PTEN, all key signaling molecules which are critical for iT reg cell development. Thus, PD-L1 can inhibit T cell responses by promoting both the induction and maintenance of iT reg cells. These studies define a novel mechanism for iT reg cell development and function, as well as a new strategy for controlling T reg cell plasticity.

Genome-wide association studies have identified loci underlying human diseases, but the causal nucleotide changes and mechanisms remain largely unknown. Here we developed a fine-mapping algorithm to identify candidate causal variants for 21 autoimmune diseases from genotyping data. We integrated these predictions with transcription and cis-regulatory element annotations, derived by mapping RNA and chromatin in primary immune cells, including resting and stimulated CD4+ T-cell subsets, regulatory T cells, CD8+ T cells, B cells, and monocytes. We find that ∼90% of causal variants are non-coding, with ∼60% mapping to immune-cell enhancers, many of which gain histone acetylation and transcribe enhancer-associated RNA upon immune stimulation. Causal variants tend to occur near binding sites for master regulators of immune differentiation and stimulus-dependent gene activation, but only 10–20% directly alter recognizable transcription factor binding motifs. Rather, most non-coding risk variants, including those that alter gene expression, affect non-canonical sequence determinants not well-explained by current gene regulatory models. Genome-wide association studies combined with data from epigenomic maps for immune cells have been used to fine-map causal variants for 21 autoimmune diseases; disease risk tends to be linked to single nucleotide polymorphisms in cell-type-specific enhancers, often in regions adjacent to transcription factor binding motifs. Hundreds of risk loci for autoimmunity have been identified previously in genome-wide association studies (GWASs), but the implicated loci comprise multiple variants in linkage disequilibrium and rarely alter protein-coding sequence, which complicates their interpretation. This study adopts a new approach for fine mapping causal genetic variants for 21 autoimmune diseases, applying a novel algorithm to GWAS-based loci and integrating genotypic data with epigenomic maps for specialized immune cells. The results implicate a very specific subset of enhancers involved in T-cell stimulation as causal determinants of autoimmune diseases.

TH17 cells are a recently defined subset of pro-inflammatory helper T cells that are induced by the cytokines IL-6 and transforming growth factor (TGF)-β. TH17 can also be induced by an alternative pathway in which TGF-β cooperates with IL-21. On activation, naive T cells differentiate into effector T-cell subsets with specific cytokine phenotypes and specialized effector functions1. Recently a subset of T cells, distinct from T helper (TH)1 and TH2 cells, producing interleukin (IL)-17 (TH17) was defined and seems to have a crucial role in mediating autoimmunity and inducing tissue inflammation2,3,4,5. We and others have shown that transforming growth factor (TGF)-β and IL-6 together induce the differentiation of TH17 cells, in which IL-6 has a pivotal function in dictating whether T cells differentiate into Foxp3+ regulatory T cells (Treg cells) or TH17 cells6,7,8,9. Whereas TGF-β induces Foxp3 and generates Treg cells, IL-6 inhibits the generation of Treg cells and induces the production of IL-17, suggesting a reciprocal developmental pathway for TH17 and Treg cells. Here we show that IL-6-deficient (Il6-/-) mice do not develop a TH17 response and their peripheral repertoire is dominated by Foxp3+ Treg cells. However, deletion of Treg cells leads to the reappearance of TH17 cells in Il6-/- mice, suggesting an additional pathway by which TH17 cells might be generated in vivo. We show that an IL-2 cytokine family member, IL-21, cooperates with TGF-β to induce TH17 cells in naive Il6-/- T cells and that IL-21-receptor-deficient T cells are defective in generating a TH17 response.

The immune response plays an important role in staving off cancer; however, mechanisms of immunosuppression hinder productive anti-tumor immunity. T cell dysfunction or exhaustion in tumor-bearing hosts is one such mechanism. PD-1 has been identified as a marker of exhausted T cells in chronic disease states, and blockade of PD-1–PD-1L interactions has been shown to partially restore T cell function. We have found that T cell immunoglobulin mucin (Tim) 3 is expressed on CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) in mice bearing solid tumors. All Tim-3+ TILs coexpress PD-1, and Tim-3+PD-1+ TILs represent the predominant fraction of T cells infiltrating tumors. Tim-3+PD-1+ TILs exhibit the most severe exhausted phenotype as defined by failure to proliferate and produce IL-2, TNF, and IFN-γ. We further find that combined targeting of the Tim-3 and PD-1 pathways is more effective in controlling tumor growth than targeting either pathway alone.

CD4 T helper precursor cells mature along two alternative pathways, Th1 and Th2. Here we show that these pathways are differentially activated by two costimulatory molecules, B7-1 and B7-2. Using anti-B7 antibodies, this developmental step was manipulated both in vitro and in vivo in experimental allergic encephalomyelitis (EAE). Anti-B7-1 reduced the incidence of disease while anti-B7-2 increased disease severity. Neither antibody affected overall T cell induction but rather altered cytokine profile. Administration of anti-B7-1 at immunization resulted in predominant generation of Th2 clones whose transfer both prevented induction of EAE and abrogated established disease. Since co-treatment with anti-IL-4 antibody prevented disease amelioration, costimulatory molecules may directly affect initial cytokine secretion. Thus, interaction of B7-1 and B7-2 with shared counterreceptors CD28 and CTLA-4 results in very different outcomes in clinical disease by influencing commitment of precursors to a Th1 or Th2 lineage.