Epigenetic mechanisms, like DNA methylation, determine immune cell phenotype. To understand the epigenetic alterations induced by helminth co-infections, we evaluated the longitudinal effect of ascariasis and schistosomiasis infection on CD4+ T cell DNA methylation and the downstream tuberculosis (TB)-specific and BCG-induced immune phenotype. All experiments were performed on human primary immune cells from a longitudinal cohort of recently TB-exposed children. Compared to age-matched uninfected controls, children with active Schistosoma haematobium and Ascaris lumbricoides infection had 751 differentially DNA methylated genes with 72% hyper-methylated. Gene ontology pathway analysis identified inhibition of IFN-γ signaling, cellular proliferation, and the Th1 pathway. Targeted RT-PCR after methyl-specific endonuclease digestion confirmed DNA hyper-methylation of the transcription factors BATF3, ID2, STAT5A, IRF5, PPARg, RUNX2, IRF4 and NFATC1 and cytokines or cytokine receptors IFNGR1, TNFS11, RELT (TNF receptor), IL12RB2 and IL12B (p< 0.001; Sidak-Bonferroni). Functional blockage of the IFN-γ signaling pathway was confirmed with helminth-infected individuals having decreased up-regulation of IFN-γ-inducible genes (Mann-Whitney p < 0.05). Hypo-methylation of the IL-4 pathway and DNA hyper-methylation of the Th1 pathway was confirmed by antigen-specific multidimensional flow cytometry demonstrating decreased TB-specific IFN-γ and TNF and increased IL-4 production by CD4+ T cells (Wilcoxon signed rank P <0.05). In S.haematobium infected individuals, these DNA methylation and immune phenotypic changes persisted at least six months after successful deworming. This work demonstrates that helminth infection induces DNA methylation and immune perturbations that inhibit TB-specific immune control and that the duration of these changes are helminth-specific.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) has co-evolved with humans for millennia and developed multiple mechanisms to evade host immunity. Restoring host immunity in order to shorten existing therapy and improve outcomes will require identifying the full complement by which host immunity is inhibited. Perturbing host DNA methylation is a mechanism induced by chronic infections such as HIV, HPV, LCMV and schistosomiasis to evade host immunity. Here, we evaluated the DNA methylation status of TB patients and their asymptomatic household contacts demonstrating that TB patients have DNA hyper-methylation of the IL-2-STAT5, TNF-NFKB and IFN-γ signaling pathways. By MSRE-qPCR, multiple genes of the IL-12-IFN-γ; signaling pathway (IL12B, IL12RB2, TYK2, IFNGR1, JAK1 and JAK2) were hyper-methylated in TB patients. The DNA hyper-methylation of these pathways is associated with decreased immune responsiveness with decreased mitogen induced upregulation of IFN-γ;, TNF, IL-6 and IL-1β; production. The DNA hyper-methylation of the IL-12-IFN-γ pathway was associated with decreased IFN-γ induced gene expression and decreased IL-12 inducible up-regulation of IFN-γ. This work demonstrates that immune cells from TB patients are characterized by DNA hyper-methylation of genes critical to mycobacterial immunity resulting in decreased mycobacteria-specific and non-specific immune responsiveness.

Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are an attractive platform for cell therapy due to their safety profile and unique ability to secrete broad arrays of immunomodulatory and regenerative molecules. Yet, MSCs are well known to require preconditioning or priming to boost their therapeutic efficacy. Current priming methods offer limited control over MSC activation, yield transient effects, and often induce the expression of pro-inflammatory effectors that can potentiate immunogenicity. Here, we describe a genetic priming method that can both selectively and sustainably boost MSC potency via the controlled expression of the inflammatory-stimulus-responsive transcription factor interferon response factor 1 (IRF1). MSCs engineered to hyper-express IRF1 recapitulate many core responses that are accessed by biochemical priming using the proinflammatory cytokine interferon-γ (IFN-γ). This includes the upregulation of anti-inflammatory effector molecules and the potentiation of MSC capacities to suppress T cell activation. However, we show that IRF1-mediated genetic priming is much more persistent than biochemical priming and can circumvent IFN-γ-dependent expression of immunogenic MHC class II molecules. Together, the ability to sustainably activate and selectively tailor MSC priming responses creates the possibility of programming MSC activation more comprehensively for therapeutic applications.

Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are an attractive platform for cell therapy due to their safety profile and unique ability to secrete broad arrays of immunomodulatory and regenerative molecules. Yet, MSCs are well known to require preconditioning or priming to boost their therapeutic efficacy. Current priming methods offer limited control over MSC activation, yield transient effects, and often induce expression of pro-inflammatory effectors that can potentiate immunogenicity. Here, we describe a 'genetic priming' method that can both selectively and sustainably boost MSC potency via the controlled expression of the inflammatory-stimulus-responsive transcription factor IRF1 (interferon response factor 1). MSCs engineered to hyper-express IRF1 recapitulate many core responses that are accessed by biochemical priming using the proinflammatory cytokine interferon-γ (IFNγ). This includes the upregulation of anti-inflammatory effector molecules and the potentiation of MSC capacities to suppress T cell activation. However, we show that IRF1-mediated genetic priming is much more persistent than biochemical priming and can circumvent IFNγ-dependent expression of immunogenic MHC class II molecules. Together, the ability to sustainably activate and selectively tailor MSC priming responses creates the possibility of programming MSC activation more comprehensively for therapeutic applications.