Unbiased genetic studies have uncovered surprising molecular mechanisms in human cellular immunity and autoimmunity. We performed whole-exome sequencing and targeted sequencing in five families with an apparent mendelian syndrome of autoimmunity characterized by high-titer autoantibodies, inflammatory arthritis and interstitial lung disease. We identified four unique deleterious variants in the COPA gene (encoding coatomer subunit α) affecting the same functional domain. Hypothesizing that mutant COPA leads to defective intracellular transport via coat protein complex I (COPI), we show that COPA variants impair binding to proteins targeted for retrograde Golgi-to-ER transport. Additionally, expression of mutant COPA results in ER stress and the upregulation of cytokines priming for a T helper type 17 (TH17) response. Patient-derived CD4(+) T cells also demonstrate significant skewing toward a TH17 phenotype that is implicated in autoimmunity. Our findings uncover an unexpected molecular link between a vesicular transport protein and a syndrome of autoimmunity manifested by lung and joint disease.

Background— A variety of studies carried out using either human subjects or laboratory animals suggest that vitamin D and its analogues possess important beneficial activity in the cardiovascular system. Using Cre-Lox technology we have selectively deleted the vitamin D receptor (VDR) gene in the cardiac myocyte in an effort to better understand the role of vitamin D in regulating myocyte structure and function. Methods and Results— Targeted deletion of the exon 4 coding sequence in the VDR gene resulted in an increase in myocyte size and left ventricular weight/body weight versus controls both at baseline and following a 7-day infusion of isoproterenol. There was no increase in interstitial fibrosis. These knockout mice demonstrated a reduction in end-diastolic and end-systolic volume by echocardiography, activation of the fetal gene program (ie, increased atrial natriuretic peptide and alpha skeletal actin gene expression), and increased expression of modulatory calcineurin inhibitory protein 1 (MCIP1), a direct downstream target of calcineurin/nuclear factor of activated T cell signaling. Treatment of neonatal cardiomyocytes with 1,25-dihydroxyvitamin D partially reduced isoproterenol-induced MCIP1 mRNA and protein levels and MCIP1 gene promoter activity. Conclusions— Collectively, these studies demonstrate that the vitamin D-VDR signaling system possesses direct, antihypertrophic activity in the heart. This appears to involve, at least in part, suppression of the prohypertrophic calcineurin/NFAT/MCIP1 pathway. These studies identify a potential mechanism to account for the reported beneficial effects of vitamin D in the cardiovascular system.

Pathogenic COPA variants cause a Mendelian syndrome of immune dysregulation with elevated type I interferon signaling 1,2 . COPA is a subunit of coat protein complex I (COPI) that mediates Golgi to ER transport 3 . Missense mutations that disrupt the COPA WD40 domain impair binding and sorting of proteins targeted for retrieval to the ER but how this causes disease remains unknown 1,4 . Given the importance of COPA in Golgi-ER transport, we speculated that type I interferon signaling in COPA syndrome involves missorting of STING. Here we show that a defect in COPI transport due to mutant COPA causes ligand-independent activation of STING. Furthermore, SURF4 is an adapter molecule that facilitates COPA-mediated retrieval of STING at the Golgi. Activated STING stimulates type I interferon driven inflammation in Copa E241K/+ mice that is rescued in STING-deficient animals. Our results demonstrate that COPA maintains immune homeostasis by regulating STING transport at the Golgi. In addtion, activated STING contributes to immune dysregulation in COPA syndrome and may be a new molecular target in treating the disease.

Interstitial lung diseases (ILDs) are a heterogeneous group of disorders that can develop in patients with connective tissue diseases (CTD). Establishing autoimmunity in ILD impacts prognosis and treatment. ILD patients are screened for autoimmunity by assaying for anti-nuclear autoantibodies, rheumatoid factors and other non-specific tests. However, this approach has not been rigorously validated and may miss autoimmunity that manifests as autoantibodies to tissue antigens not previously defined in ILD. Here, we use Phage Immunoprecipitation-Sequencing (PhIP-Seq) to conduct a large, multi-center unbiased autoantibody discovery screen of ILD patients and controls. PhIP-Seq identified 17 novel autoreactive targets, and machine learning classifiers derived from these targets discriminated ILD serum from controls. Among these 17 candidates, we validated Cadherin Related Family Member 5 (CDHR5) as an autoantigen and found CDHR5 autoantibodies in patients with rheumatologic disorders and importantly, subjects not previously diagnosed with autoimmunity. Lung tissue of CDHR5 autoreactive patients showed transcriptional profiles consistent with activation of NFκB signaling and upregulation of chitotriosidase (CHIT1), a molecular pathway linked to fibrosis. Our study shows PhIP-Seq uncovers novel autoantibodies in ILD patients not revealed by standard clinical tests. Furthermore, CDHR5 autoantibodies may define a novel molecular endotype of ILD characterized by inflammation and fibrosis.

Classifying systemic inflammatory disorders as autoinflammatory or autoimmune provides insight into disease pathogenesis and whether treatment should target innate molecules and their signaling pathways or the adaptive immune response. COPA syndrome is a monogenic disorder of immune dysregulation that leads to interstitial lung disease and high-titer autoantibodies. Studies show constitutive activation of the innate immune molecule STING is centrally involved in disease. However, the mechanisms by which STING results in loss of T cell tolerance and autoimmunity in COPA syndrome or more common autoimmune diseases is not understood. Using Copa E241K/+ mice, we uncovered a functional role for STING in the thymus. Single cell data of human thymus demonstrates STING is highly expressed in medullary thymic epithelial cells (mTECs) involved in processing and presenting self-antigens to thymocytes. In Copa E241K/+ mice, activated STING in mTECs triggered interferon signaling, impaired macroautophagy and caused a defect in negative selection of T cells. Wild-type mice given a systemic STING agonist phenocopied the selection defect and showed enhanced thymic escape of a T cell clone targeting a self-antigen also expressed in melanoma. Our work demonstrates STING activation in TECs shapes the T cell repertoire and contributes to autoimmunity, findings important for settings that activate thymic STING.

COPA syndrome is a recently described Mendelian autoimmune disorder caused by missense mutations in the Coatomer protein complex subunit alpha (COPA) gene. Patients with COPA syndrome develop arthritis and lung disease that presents as pulmonary hemorrhage or interstitial lung disease (ILD). Immunosuppressive medications can stabilize the disease, but many patients develop progressive pulmonary fibrosis that requires life-saving measures such as lung transplantation. Because very little is understood about the pathogenesis of COPA syndrome, it has been difficult to devise effective treatments for patients. To date, it remains unknown which cell types are critical for mediating the disease as well as the mechanisms that lead to autoimmunity. To explore these issues, we generated a CopaE241K/+ germline knock-in mouse bearing one of the same Copa missense mutations in patients. Mutant mice spontaneously developed ILD that mirrors lung pathology in patients, as well as elevations of activated cytokine-secreting T cells. Here we show that mutant Copa in epithelial cells of the thymus impairs the thymic selection of T cells and results in both an increase in autoreactive T cells and decrease in regulatory T cells in peripheral tissues. We demonstrate that T cells from CopaE241K/+ mice are pathogenic and cause ILD through adoptive transfer experiments. In conclusion, we establish a new mouse model of COPA syndrome to identify a previously unknown function for Copa in thymocyte selection and demonstrate that a defect in central tolerance is a putative mechanism by which COPA mutations lead to autoimmunity in patients.One Sentence Summary A new mouse model of COPA syndrome develops lung pathology that recapitulates patients and reveals that T cells are important drivers of the disease.