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.

MicroRNAs (miRNAs) are crucial for normal embryonic stem (ES) cell self-renewal and cellular differentiation, but how miRNA gene expression is controlled by the key transcriptional regulators of ES cells has not been established. We describe here the transcriptional regulatory circuitry of ES cells that incorporates protein-coding and miRNA genes based on high-resolution ChIP-seq data, systematic identification of miRNA promoters, and quantitative sequencing of short transcripts in multiple cell types. We find that the key ES cell transcription factors are associated with promoters for miRNAs that are preferentially expressed in ES cells and with promoters for a set of silent miRNA genes. This silent set of miRNA genes is co-occupied by Polycomb group proteins in ES cells and shows tissue-specific expression in differentiated cells. These data reveal how key ES cell transcription factors promote the ES cell miRNA expression program and integrate miRNAs into the regulatory circuitry controlling ES cell identity.

Droplet single-cell RNA-seq is applied to large numbers of pooled samples from unrelated individuals. Droplet single-cell RNA-sequencing (dscRNA-seq) has enabled rapid, massively parallel profiling of transcriptomes. However, assessing differential expression across multiple individuals has been hampered by inefficient sample processing and technical batch effects. Here we describe a computational tool, demuxlet, that harnesses natural genetic variation to determine the sample identity of each droplet containing a single cell (singlet) and detect droplets containing two cells (doublets). These capabilities enable multiplexed dscRNA-seq experiments in which cells from unrelated individuals are pooled and captured at higher throughput than in standard workflows. Using simulated data, we show that 50 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) per cell are sufficient to assign 97% of singlets and identify 92% of doublets in pools of up to 64 individuals. Given genotyping data for each of eight pooled samples, demuxlet correctly recovers the sample identity of >99% of singlets and identifies doublets at rates consistent with previous estimates. We apply demuxlet to assess cell-type-specific changes in gene expression in 8 pooled lupus patient samples treated with interferon (IFN)-β and perform eQTL analysis on 23 pooled samples.

Foxp3+CD4+CD25+ regulatory T (Treg) cells are essential for the prevention of autoimmunity1,2. Treg cells have an attenuated cytokine response to T-cell receptor stimulation, and can suppress the proliferation and effector function of neighbouring T cells3,4. The forkhead transcription factor Foxp3 (forkhead box P3) is selectively expressed in Treg cells, is required for Treg development and function, and is sufficient to induce a Treg phenotype in conventional CD4+CD25- T cells5,6,7,8. Mutations in Foxp3 cause severe, multi-organ autoimmunity in both human and mouse9,10,11. FOXP3 can cooperate in a DNA-binding complex with NFAT (nuclear factor of activated T cells) to regulate the transcription of several known target genes12. However, the global set of genes regulated directly by Foxp3 is not known and consequently, how this transcription factor controls the gene expression programme for Treg function is not understood. Here we identify Foxp3 target genes and report that many of these are key modulators of T-cell activation and function. Remarkably, the predominant, although not exclusive, effect of Foxp3 occupancy is to suppress the activation of target genes on T-cell stimulation. Foxp3 suppression of its targets appears to be crucial for the normal function of Treg cells, because overactive variants of some target genes are known to be associated with autoimmune disease.

Decades of work have aimed to genetically reprogram T cells for therapeutic purposes1,2 using recombinant viral vectors, which do not target transgenes to specific genomic sites3,4. The need for viral vectors has slowed down research and clinical use as their manufacturing and testing is lengthy and expensive. Genome editing brought the promise of specific and efficient insertion of large transgenes into target cells using homology-directed repair5,6. Here we developed a CRISPR–Cas9 genome-targeting system that does not require viral vectors, allowing rapid and efficient insertion of large DNA sequences (greater than one kilobase) at specific sites in the genomes of primary human T cells, while preserving cell viability and function. This permits individual or multiplexed modification of endogenous genes. First, we applied this strategy to correct a pathogenic IL2RA mutation in cells from patients with monogenic autoimmune disease, and demonstrate improved signalling function. Second, we replaced the endogenous T cell receptor (TCR) locus with a new TCR that redirected T cells to a cancer antigen. The resulting TCR-engineered T cells specifically recognized tumour antigens and mounted productive anti-tumour cell responses in vitro and in vivo. Together, these studies provide preclinical evidence that non-viral genome targeting can enable rapid and flexible experimental manipulation and therapeutic engineering of primary human immune cells. A non-viral strategy to introduce large DNA sequences into T cells enables the correction of a pathogenic mutation that causes autoimmunity, and the replacement of an endogenous T-cell receptor with an engineered receptor that can recognize cancer antigens.

Significance T-cell genome engineering holds great promise for cancer immunotherapies and cell-based therapies for HIV, primary immune deficiencies, and autoimmune diseases, but genetic manipulation of human T cells has been inefficient. We achieved efficient genome editing by delivering Cas9 protein pre-assembled with guide RNAs. These active Cas9 ribonucleoproteins (RNPs) enabled successful Cas9-mediated homology-directed repair in primary human T cells. Cas9 RNPs provide a programmable tool to replace specific nucleotide sequences in the genome of mature immune cells—a longstanding goal in the field. These studies establish Cas9 RNP technology for diverse experimental and therapeutic genome engineering applications in primary human T cells.

Abstract Immunotherapies with chimeric antigen receptor (CAR) T cells and checkpoint inhibitors (including antibodies that antagonize programmed cell death protein 1 [PD-1]) have both opened new avenues for cancer treatment, but the clinical potential of combined disruption of inhibitory checkpoints and CAR T cell therapy remains incompletely explored. Here we show that programmed death ligand 1 (PD-L1) expression on tumor cells can render human CAR T cells (anti-CD19 4-1BBζ) hypo-functional, resulting in impaired tumor clearance in a sub-cutaneous xenograft model. To overcome this suppressed anti-tumor response, we developed a protocol for combined Cas9 ribonucleoprotein (Cas9 RNP)-mediated gene editing and lentiviral transduction to generate PD-1 deficient anti-CD19 CAR T cells. Pdcd1 (PD-1) disruption augmented CAR T cell mediated killing of tumor cells in vitro and enhanced clearance of PD-L1+ tumor xenografts in vivo . This study demonstrates improved therapeutic efficacy of Cas9-edited CAR T cells and highlights the potential of precision genome engineering to enhance next-generation cell therapies.

The challenge of linking intergenic mutations to target genes has limited molecular understanding of human diseases. Here we show that H3K27ac HiChIP generates high-resolution contact maps of active enhancers and target genes in rare primary human T cell subtypes and coronary artery smooth muscle cells. Differentiation of naive T cells into T helper 17 cells or regulatory T cells creates subtype-specific enhancer-promoter interactions, specifically at regions of shared DNA accessibility. These data provide a principled means of assigning molecular functions to autoimmune and cardiovascular disease risk variants, linking hundreds of noncoding variants to putative gene targets. Target genes identified with HiChIP are further supported by CRISPR interference and activation at linked enhancers, by the presence of expression quantitative trait loci, and by allele-specific enhancer loops in patient-derived primary cells. The majority of disease-associated enhancers contact genes beyond the nearest gene in the linear genome, leading to a fourfold increase in the number of potential target genes for autoimmune and cardiovascular diseases.

Human T cells are central effectors of immunity and cancer immunotherapy. CRISPR-based functional studies in T cells could prioritize novel targets for drug development and improve the design of genetically reprogrammed cell-based therapies. However, large-scale CRISPR screens have been challenging in primary human cells. We developed a new method, single guide RNA (sgRNA) lentiviral infection with Cas9 protein electroporation (SLICE), to identify regulators of stimulation responses in primary human T cells. Genome-wide loss-of-function screens identified essential T cell receptor signaling components and genes that negatively tune proliferation following stimulation. Targeted ablation of individual candidate genes characterized hits and identified perturbations that enhanced cancer cell killing. SLICE coupled with single-cell RNA sequencing (RNA-seq) revealed signature stimulation-response gene programs altered by key genetic perturbations. SLICE genome-wide screening was also adaptable to identify mediators of immunosuppression, revealing genes controlling responses to adenosine signaling. The SLICE platform enables unbiased discovery and characterization of functional gene targets in primary cells.