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.

The concerted actions of multiple tolerance checkpoints limit the possibility of immune attack against self-antigens. For B cells, purging of autoreactivity from the developing repertoire has been almost exclusively studied using B-cell receptor transgenic models. Analyses have generally agreed that central and peripheral tolerance occurs in the form of deletion, receptor editing and anergy. However, when and where these processes occur in a normal polyclonal repertoire devoid of B-cell receptor engineering remain unclear. Here, employing sensitive tools that alleviate the need for B-cell receptor engineering, we track the development of self-reactive B cells and challenge whether deletion plays a meaningful role in B-cell tolerance. We find self-reactive B cells can mature unperturbed by ubiquitous self-antigen expression but, even in the presence of T-cell help, are robustly anergic in the periphery. These studies query the prominence attributed to central and peripheral deletion by most BCR transgenic studies and suggest that other mechanisms predominantly govern B cell tolerance.

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.

Ag stimulation (signal 1) triggers B cell activation and proliferation, and primes B cells to recruit, engage, and respond to T cell help (signal 2). However, failure to receive signal 2 within a defined window of time results in an abortive round of proliferation, followed by anergy or apoptosis. Although the molecular basis of T cell help has been extensively dissected, the mechanisms that restrain Ag-stimulated B cells, and enforce dependence upon co-stimulation, are incompletely understood. Nr4a1-3 encode a small family of orphan nuclear receptors that are rapidly induced by B cell receptor (BCR) stimulation, yet little is known about their function in humoral immune responses. Here we use germline and conditional loss-of-function mouse models to show that Nr4a1 and Nr4a3 play partially redundant roles to restrain both the survival and proliferation of B cells that receive signal 1 in the absence of co-stimulatory signals, and do so in part by repressing expression of BATF and consequently c-MYC. Correspondingly, Ab responses to TI-2 immunogens are enhanced in the absence of Nr4a1, but are unaltered in response to immunogens that incorporate co-stimulatory signals. Unexpectedly, we also identify a role for the NR4A family in restraining B cell access to T cell help by repressing expression of the T cell chemokines CCL3/4, as well as CD86 and ICAM1, and show that this is relevant under conditions of competition for limiting T cell help. Our studies collectively reveal a novel negative feedback loop mediated by the NR4A family that increases B cell dependence upon T cell help and restrains strongly Ag-activated B cell clones from monopolizing limiting amounts of T cell help. We speculate that this imposes B cell tolerance and dampens immunodominance to facilitate preservation of clonal diversity during an immune response.

Pathological activation and collaboration of T and B cells underlies pathogenic autoantibody responses. Existing treatments for autoimmune disease cause non-specific immunosuppression and induction of antigen-specific tolerance remains an elusive goal. Many immunotherapies aim to manipulate the T-cell component of T-B interplay but few directly target B cells. One possible means to specifically target B cells is the transfer of gene-engineered BM that, once engrafted, gives rise to widespread specific and tolerogenic antigen expression within the hematopoietic system. Gene-engineered bone marrow encoding ubiquitous ovalbumin expression was transferred after low-dose (300cGy) immune-preserving irradiation. B-cell responsiveness was monitored by analyzing ovalbumin-specific antibody production after immunization with ovalbumin/complete Freunds adjuvant. Ovalbumin-specific B cells and their response to immunization were analyzed using multi-tetramer staining. When antigen-encoding bone marrow was transferred under immune-preserving conditions, cognate antigen-specific B cells were purged from the recipients pre-existing B cell repertoire as well as the repertoire that arose after bone marrow transfer. OVA-specific B-cell deletion was apparent within the established host B-cell repertoire as well as that developing after gene-engineered bone marrow transfer. OVA-specific antibody production was substantially inhibited by transfer of OVA-encoding BM and activation of OVA-specific B cells, germinal centre formation and subsequent OVA-specific plasmablast differentiation were all inhibited. Low levels of gene-engineered bone marrow chimerism were sufficient to limit antigen-specific antibody production. These data show that antigen-specific B cells within an established B-cell repertoire are susceptible to de novo tolerance induction and this can be achieved by transfer of gene-engineered bone marrow. This adds further dimensions to the utility of antigen-encoding bone marrow transfer as an immunotherapeutic tool.

A series of layered peripheral checkpoints maintain self-reactive B cells in an unresponsive state. Autoantibody production occurs when these checkpoints are breached, however, when and how this occurs is largely unknown. In particular, how self-reactive B cells are restrained during bystander inflammation in otherwise healthy individuals is poorly understood. A weakness has been the unavailability of methods capable of dissecting physiologically-relevant B-cell responses, without the use of an engineered B-cell receptor. Resolving this will provide insights that decipher how this process goes awry during autoimmunity or could be exploited for therapy. Here we use a strong adjuvant to provide bystander innate and adaptive signals that promote B-cell responsiveness, in conjunction with newly developed B cell detection tools to study in detail the ways that peripheral tolerance mechanisms limit the expansion and function of self-reactive B cells activated under these conditions. We show that although autoreactive B cells are recruited into the germinal centre, their development does not proceed, possibly through rapid counter-selection. Consequently, differentiation of plasma cells is blunted, and autoantibody responses are transient and devoid of affinity maturation. We propose this approach and these tools can be more widely applied to track antigen-specific B cell responses to more disease relevant antigens, without the need for BCR transgenic mice, in settings where tolerance pathways are compromised or have been genetically manipulated to drive stronger insights into the biology underlying B cell-mediated autoimmunity.