Summary

 Activation of Ras proteins underlies functional decisions in diverse cell types. Two molecules, RasGRP and SOS, catalyze Ras activation in lymphocytes. Binding of active Ras to SOS' allosteric pocket markedly increases SOS' activity establishing a positive feedback loop for SOS-mediated Ras activation. Integrating in silico and in vitro studies, we demonstrate that digital signaling in lymphocytes (cells are "on" or "off") is predicated upon feedback regulation of SOS. SOS' feedback loop leads to hysteresis in the dose-response curve, which can enable a capacity to sustain Ras activation as stimuli are withdrawn and exhibit "memory" of past encounters with antigen. Ras activation via RasGRP alone is analog (graded increase in amplitude with stimulus). We describe how complementary analog (RasGRP) and digital (SOS) pathways act on Ras to efficiently convert analog input to digital output. Numerous predictions regarding the impact of our findings on lymphocyte function and development are noted.

Mature B cells encounter antigens during development that induce anergy or functional unresponsiveness; this large reservoir of dormant autoreactive B cells may serve as a pool of extended antibody specificity for purposes of protective immunity, as well as the source of pathogenic autoantibodies that characterize rheumatic diseases such as systemic lupus erythematosus. This study demonstrates that B cells encounter autoantigens during development and that autoreactive B cells persist in the mature repertoire, but become less responsive or anergic to B-cell antigen-receptor stimulation, thereby avoiding autoimmunity. Autoreactivity seems to correlate with the threshold of B-cell activation so that only foreign antigens interacting with B cells at a level greater than the cells' inherent autoreactivity will be activated. The authors speculate that this large reservoir of dormant autoreactive B cells may act as a source of pathogenic autoantibodies in rheumatic diseases such as systemic lupus erythematosus. In humans, up to 75% of newly generated B cells and about 30% of mature B cells show some degree of autoreactivity1. Yet, how B cells establish and maintain tolerance in the face of autoantigen exposure during and after development is not certain. Studies of model B-cell antigen receptor (BCR) transgenic systems have highlighted the critical role of functional unresponsiveness or ‘anergy’2,3. Unlike T cells, evidence suggests that receptor editing and anergy, rather than deletion, account for much of B-cell tolerance4,5. However, it remains unclear whether the mature diverse B-cell repertoire of mice contains anergic autoreactive B cells, and if so, whether antigen was encountered during or after their development. By taking advantage of a reporter mouse in which BCR signalling rapidly and robustly induces green fluorescent protein expression under the control of the Nur77 regulatory region, antigen-dependent and antigen-independent BCR signalling events in vivo during B-cell maturation were visualized. Here we show that B cells encounter antigen during development in the spleen, and that this antigen exposure, in turn, tunes the responsiveness of BCR signalling in B cells at least partly by downmodulating expression of surface IgM but not IgD BCRs, and by modifying basal calcium levels. By contrast, no analogous process occurs in naive mature T cells. Our data demonstrate not only that autoreactive B cells persist in the mature repertoire, but that functional unresponsiveness or anergy exists in the mature B-cell repertoire along a continuum, a fact that has long been suspected, but never yet shown. These results have important implications for understanding how tolerance in T and B cells is differently imposed, and how these processes might go awry in disease.

Abstract Class-switched neutralizing antibody (nAb) production is rapidly induced upon many viral infections. However, due to the presence of multiple components in typical virions, the precise biochemical and biophysical signals from viral infections that initiate nAb responses remain inadequately defined. Using a reductionist system of synthetic virus-like structures (SVLS) containing minimal, highly purified biochemical components commonly found in enveloped viruses, here we show that a foreign protein on a virion-sized liposome can serve as a stand-alone danger signal to initiate class-switched nAb responses in the absence of cognate T cell help or Toll-like receptor signaling but requires CD19, the antigen (Ag) coreceptor on B cells. Introduction of internal nucleic acids (iNAs) obviates the need for CD19, lowers the epitope density (ED) required to elicit the Ab response and transforms these structures into highly potent immunogens that rival conventional virus-like particles in their ability to elicit strong Ag-specific IgG. As early as day 5 after immunization, structures harbouring iNAs and decorated with just a few molecules of surface Ag at doses as low as 100 ng induced all IgG subclasses of Ab known in mice and reproduced the IgG2a/2c restriction that has been long observed in live viral infections. These findings reveal a shared mechanism for nAb response upon viral infection. High ED is capable but not necessary for driving Ab secretion in vivo . Instead, even a few molecules of surface Ag, when combined with nucleic acids within these structures, can trigger strong antiviral IgG production. As a result, the signaling threshold for the induction of neutralizing IgG is set by dual signals originating from both ED on the surface and the presence of iNAs within viral particulate immunogens. One-sentence summary Reconstitution of minimal viral signals necessary to initiate antiviral IgG

Abstract Although it has long been appreciated that multivalent antigens – and particularly viral epitope display – produce extremely rapid, robust, and T-independent humoral immune responses, the biochemical basis for such potency has been incompletely understood. Here we take advantage of a set of neutral liposomes of viral size that are engineered to display affinity mutants of the model antigen (Ag) hen egg lysozyme at precisely varied density. We show that particulate Ag display by liposomes induces highly potent B cell responses that are dose-and density-dependent but affinity-independent. Titrating dose of particulate, but not soluble, Ag reveals bimodal Erk phosphorylation and cytosolic calcium increases. Particulate Ag induces signal amplification downstream of the B cell receptor (BCR) by selectively evading LYN-dependent inhibitory pathways, but in vitro potency is independent of CD19. Importantly, Ag display on viral-sized particles signals independently of MYD88 and IRAK1/4, but activates NF- κ B robustly in a manner that mimics T cell help. Together, such biased signaling by particulate Ag promotes MYC expression and reduces the threshold required for B cell proliferation relative to soluble Ag. These findings uncover a molecular basis for highly sensitive B cell response to viral Ag display and remarkable potency of virus-like particle vaccines that is not merely accounted for by avidity and BCR cross-linking, and is independent of the contribution of B cell nucleic acid-sensing machinery.

ABSTRACT The NR4A family of orphan nuclear receptors ( Nr4a1-3 ) plays redundant roles upstream of Foxp3 to establish and maintain Treg identity; deletion of multiple family members in the thymus results in Treg deficiency and a severe inflammatory disease. Consequently, it has been challenging to isolate the functions of this family in other immune cells. Here we take advantage of a competitive bone marrow chimera strategy, coupled with conditional genetic tools, to rescue Treg homeostasis and unmask such functions. Unexpectedly, chimeras harboring Nr4a1 −/− Nr4a3 −/− (DKO) bone marrow develop autoantibodies and a systemic inflammatory disease despite a replete Treg compartment of largely wild-type origin. This disease differs qualitatively from that seen with Treg-deficiency and is B cell-extrinsic. Negative selection of DKO thymocytes is profoundly impaired in a cell-intrinsic manner. Consistent with escape of self-reactive T cells into the periphery, DKO T cells with functional and phenotypic features of anergy accumulate in chimeric mice. Despite this, DKO T cells exhibit enhanced IL-2 production, implying a cell-intrinsic role for the NR4A family in peripheral T cell tolerance. These studies reveal roles for the NR4A family in multiple layered T cell tolerance mechanisms and demonstrate that each is essential to preserve immune homeostasis.

How pathogenic CD4 T cells in Rheumatoid Arthritis (RA) develop remains poorly understood. We used Nur77 - a marker of T cell antigen receptor (TCR) signaling - to identify antigen-activated CD4 T cells in the SKG mouse model of autoimmune arthritis and in patients with RA. Using a fluorescent reporter of Nur77 expression in SKG mice, we found that higher levels of Nur77-eGFP in SKG CD4 T cells marked their autoreactivity, arthritogenic potential, and ability to more readily differentiate into IL-17 producing cells. The T cells with increased autoreactivity, nonetheless had diminished ex vivo inducible TCR signaling, perhaps reflective of adaptive inhibitory mechanisms induced by chronic auto-antigen exposure in vivo. The enhanced autoreactivity was associated with upregulation of IL-6 cytokine signaling machinery, which might in part be attributable to a reduced amount of expression of suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3), a key negative regulator of IL-6 signaling. As a result, the more autoreactive GFPhi CD4 T cells from SKGNur mice were hyper-responsive to IL-6 receptor signaling. Consistent with findings from SKGNur mice, SOCS3 expression was similarly downregulated in RA synovium. This suggests that, despite impaired TCR signaling, autoreactive T cells exposed to chronic antigen stimulation exhibit heightened sensitivity to IL-6 which contributes to the arthritogenicity in SKG mice, and perhaps in patients with RA.

Vitamin B12 is critical for hematopoiesis and myelination. Deficiency can cause neurologic deficits including loss of coordination and cognitive decline. However, diagnosis relies on measurement of vitamin B12 in the blood, which may not accurately reflect the concentration in the brain. Using programmable phage display, we identified an autoantibody targeting the transcobalamin receptor (CD320) in a patient with progressive tremor, ataxia, and scanning speech. Anti-CD320 impaired cellular uptake of cobalamin (B12) in vitro by depleting its target from the cell surface. Despite a normal serum concentration, B12 was nearly undetectable in her cerebrospinal fluid (CSF). Immunosuppressive treatment and high-dose systemic B12 supplementation were associated with increased B12 in the CSF and clinical improvement. Optofluidic screening enabled isolation of a patient-derived monoclonal antibody that impaired B12 transport across an in vitro model of the blood-brain barrier (BBB). Autoantibodies targeting the same epitope of CD320 were identified in seven other patients with neurologic deficits of unknown etiology, 6% of healthy controls, and 21.4% of a cohort of patients with neuropsychiatric lupus. In 132 paired serum and CSF samples, detection of anti-CD320 in the blood predicted B12 deficiency in the brain. However, these individuals did not display any hematologic signs of B12 deficiency despite systemic CD320 impairment. Using a genome-wide CRISPR screen, we found that the low-density lipoprotein receptor serves as an alternative B12 uptake pathway in hematopoietic cells. These findings dissect the tissue specificity of B12 transport and elucidate an autoimmune neurologic condition that may be amenable to immunomodulatory treatment and nutritional supplementation.

ABSTRACT Autoimmunity is characterized by loss of tolerance to tissue-specific as well as systemic antigens, resulting in complex autoantibody landscapes. Here, we introduce and extensively validate the performance characteristics of a murine proteome-wide library for phage display immunoprecipitation and sequencing (PhIP-seq), to profile mouse autoantibodies. This system and library were validated using seven genetic mouse models across a spectrum of autoreactivity. Mice deficient in antibody production ( Rag2 -/- and μMT) were used to model non-specific peptide enrichments, while cross-reactivity was evaluated using anti-ovalbumin B cell receptor (BCR)-restricted OB1 mice as a proof of principle. The PhIP-seq approach was then utilized to interrogate three distinct autoimmune disease models. First, serum from Lyn -/- IgD +/- mice with lupus-like disease was used to identify nuclear and apoptotic bleb reactivities, lending support to the hypothesis that apoptosis is a shared origin of these antigens. Second, serum from non-obese diabetic (NOD) mice, a polygenic model of pancreas-specific autoimmunity, enriched peptides derived from both insulin and predicted pancreatic proteins. Lastly, Aire -/- mouse sera were used to identify numerous auto-antigens, many of which were also observed in previous studies of humans with autoimmune polyendocrinopathy syndrome type 1 (APS1) carrying recessive mutations in AIRE. Among these were peptides derived from Perilipin-1, a validated autoimmune biomarker of generalized acquired lipodystrophy in humans. Autoreactivity to Perilipin-1 correlated with lymphocyte infiltration in adipose tissue and underscores the approach in revealing previously unknown specificities. These experiments support the use of murine proteome-wide PhIP-seq for antigenic profiling and autoantibody discovery, which may be employed to study a range of immune perturbations in mouse models of autoimmunity.

Virus-like particles are known to induce long-term humoral immunity, but the mechanisms involved have been less understood. Model antigens (Ags) are indispensable for understanding B-cell responses to immunization but immunogens that facilitate the dissection of viral features on B-cell responses are limited. Here we describe a system of liposome-based virus-like structures that allowed us to independently vary the contributions of fundamental viral attributes to the initiation and durability of antibody (Ab) responses, and to do so without additional adjuvants. We show that Ag display on a virion-sized liposome can serve as a stand-alone danger signal to initiate class-switched Ab response in the absence of either T cell help or Toll-like receptors but requires CD19. Introduction of internal nucleic acids lowers the epitope density required to elicit a response and transforms these structures into highly potent immunogens that are independent of CD19 engagement and rival well-established bacteriophage virus-like particles in the resulting Ag-specific IgG titers. As early as day 5 after injection, structures decorated with even a few molecules of surface Ag at doses as low as 100 ng can induce all IgG subclasses of Ab characterized by an off rate of ~0.0005 s-1. A single injection of these structures at low Ag dose led to life-long neutralizing Ab production in BALB/c mice. Thus, Ag valency and intrinsic sensing of viral nucleic acids coordinate quantitatively to mediate long-lasting antiviral IgG in a primary immune response.

Abstract Although deletion of self-reactive thymocytes and their diversion into regulatory T cell (Treg) lineage are critical for immune tolerance and homeostasis, the molecular pathways that link antigen recognition to these fates are incompletely understood. The Nr4a nuclear hormone receptors are transcriptionally upregulated in response to TCR signaling in the thymus and are implicated in both deletion and diversion, but the mechanisms by which they operate are not clear. Redundancy among the family members and their requirement for Treg generation and maintenance have obscured their role in negative selection. Here we take advantage of competitive bone marrow chimeras and the OT-II/RIPmOVA model to demonstrate that Nr4a1 and Nr4a3 are essential for upregulation of Bcl2l11 /BIM and negative selection by tissue-restricted model self-antigen (TRA). Moreover, we reveal that the Nr4a family is absolutely required for full induction of a broad transcriptional program triggered in self-reactive thymocytes by TRA recognition, and conserved across model systems and the natural repertoire. Importantly, both model self antigen-specific TCR Tg and polyclonal thymocytes lacking Nr4a1/3 that escape negative selection acquire an anergy-like program that persists in the periphery and is also evident among wild-type recent thymic emigrants (RTEs). We propose that the Nr4a family transduces TCR signals during thymic development to enforce the fates of highly self-reactive clones, mediating not only deletion and Treg diversion, but also contributing to a cell-intrinsic, persistent anergy-like program that may operate at the margins of canonical thymic tolerance mechanisms to restrain self-reactive T cells after thymic egress.