CD4 T helper precursor cells mature along two alternative pathways, Th1 and Th2. Here we show that these pathways are differentially activated by two costimulatory molecules, B7-1 and B7-2. Using anti-B7 antibodies, this developmental step was manipulated both in vitro and in vivo in experimental allergic encephalomyelitis (EAE). Anti-B7-1 reduced the incidence of disease while anti-B7-2 increased disease severity. Neither antibody affected overall T cell induction but rather altered cytokine profile. Administration of anti-B7-1 at immunization resulted in predominant generation of Th2 clones whose transfer both prevented induction of EAE and abrogated established disease. Since co-treatment with anti-IL-4 antibody prevented disease amelioration, costimulatory molecules may directly affect initial cytokine secretion. Thus, interaction of B7-1 and B7-2 with shared counterreceptors CD28 and CTLA-4 results in very different outcomes in clinical disease by influencing commitment of precursors to a Th1 or Th2 lineage.

Exposure to interleukin 23 (IL-23) is required for the induction of pathogenic TH17 cells. Kuchroo and colleagues show that IL-23-dependent induction of the cytokine TGF-β3 produces a molecular signature characteristic of highly pathogenic TH17 cells. Interleukin 17 (IL-17)-producing helper T cells (TH17 cells) are often present at the sites of tissue inflammation in autoimmune diseases, which has led to the conclusion that TH17 cells are main drivers of autoimmune tissue injury. However, not all TH17 cells are pathogenic; in fact, TH17 cells generated with transforming growth factor-β1 (TGF-β1) and IL-6 produce IL-17 but do not readily induce autoimmune disease without further exposure to IL-23. Here we found that the production of TGF-β3 by developing TH17 cells was dependent on IL-23, which together with IL-6 induced very pathogenic TH17 cells. Moreover, TGF-β3-induced TH17 cells were functionally and molecularly distinct from TGF-β1-induced TH17 cells and had a molecular signature that defined pathogenic effector TH17 cells in autoimmune disease.

Treatment with ex vivo–generated regulatory T cells (T-reg) has been regarded as a potentially attractive therapeutic approach for autoimmune diseases. However, the dynamics and function of T-reg in autoimmunity are not well understood. Thus, we developed Foxp3gfp knock-in (Foxp3gfp.KI) mice and myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG)35–55/IAb (MHC class II) tetramers to track autoantigen-specific effector T cells (T-eff) and T-reg in vivo during experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), an animal model for multiple sclerosis. MOG tetramer–reactive, Foxp3+ T-reg expanded in the peripheral lymphoid compartment and readily accumulated in the central nervous system (CNS), but did not prevent the onset of disease. Foxp3+ T cells isolated from the CNS were effective in suppressing naive MOG-specific T cells, but failed to control CNS-derived encephalitogenic T-eff that secreted interleukin (IL)-6 and tumor necrosis factor (TNF). Our data suggest that in order for CD4+Foxp3+ T-reg to effectively control autoimmune reactions in the target organ, it may also be necessary to control tissue inflammation.

Multiple sclerosis (MS) is considered to be an autoimmune disease of the central nervous system (CNS) that in many patients first presents clinically as optic neuritis. The relationship of optic neuritis to MS is not well understood. We have generated novel T cell receptor (TCR) transgenic mice specific for myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG). MOG-specific transgenic T cells are not deleted nor tolerized and are functionally competent. A large proportion (>30%) of MOG-specific TCR transgenic mice spontaneously develop isolated optic neuritis without any clinical nor histological evidence of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Optic neuritis without EAE could also be induced in these mice by sensitization with suboptimal doses of MOG. The predilection of these mice to develop optic neuritis is associated with higher expression of MOG in the optic nerve than in the spinal cord. These results demonstrate that clinical manifestations of CNS autoimmune disease will vary depending on the identity of the target autoantigen and that MOG-specific T cell responses are involved in the genesis of isolated optic neuritis.

Abstract Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) is a model of human multiple sclerosis induced by autoreactive Th cells that mediate tissue inflammation and demyelination in the CNS. Initially, IFN-γ-producing Th1 cells and, more recently, IL-17-producing Th17 cells with specificity for myelin Ags have been implicated in EAE induction, but whether Th17 cells are encephalitogenic has been controversial. Moreover, a new effector T cell subset, Th9 cells, has been identified; however, the ability of this T cell subset to induce EAE has not been investigated. Here, we have developed protocols to generate myelin oligodendrocyte glycoprotein-specific Th17, Th1, Th2, and Th9 cells in vitro, so that we could directly compare and characterize the encephalitogenic activity of each of these subsets upon adoptive transfer. We show that myelin oligodendrocyte glycoprotein-specific Th1, Th17, and Th9 cells but not Th2 cells induce EAE upon adoptive transfer. Importantly, each T cell subset induced disease with a different pathological phenotype. These data demonstrate that different effector T cell subsets with specificity for myelin Ags can induce CNS autoimmunity and that the pathological heterogeneity in multiple sclerosis lesions might in part be due to multiple distinct myelin-reactive effector T cells.

Both positive and negative regulatory roles have been suggested for the B7 family member PD-L1(B7-H1). PD-L1 is expressed on antigen-presenting cells (APCs), activated T cells, and a variety of tissues, but the functional significance of PD-L1 on each cell type is not yet clear. To dissect the functions of PD-L1 in vivo , we generated PD-L1-deficient (PD-L1 –/– ) mice. CD4 + and CD8 + T cell responses were markedly enhanced in PD-L1 –/– mice compared with wild-type mice in vitro and in vivo . PD-L1 –/– dendritic cells stimulated greater wild-type CD4 + T cell responses than wild-type dendritic cells, and PD-L1 –/– CD4 + T cells produced more cytokines than wild-type CD4 + T cells in vitro , demonstrating an inhibitory role for PD-L1 on APCs and T cells. In vivo CD8 + T cell responses also were significantly enhanced, indicating that PD-L1 has a role in limiting the expansion or survival of CD8 + T cells. Studies using the myelin oligodendrocyte model of experimental autoimmune encephalomyelitis showed that PD-L1 on T cells and in host tissues limits responses of self-reactive CD4 + T cells in vivo . PD-L1 deficiency converted the 129S4/SvJae strain from a resistant to experimental autoimmune encephalomyelitis-susceptible strain. Transfer of encephalitogenic T cells from wild-type mice into PD-L1 –/– recipients led to exacerbated disease. Disease was even more severe in PD-L1 –/– recipients of PD-L1 –/– T cells. These results demonstrate that PD-L1 on T cells, APCs, and host tissue inhibits naïve and effector T cell responses and plays a critical role in T cell tolerance.

Abstract Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) and other organ-specific autoimmune diseases are induced by autoantigen-specific Th1 cells. In contrast, transfer of autoantigen-reactive Th2 cells that produce IL-4 and IL-10 can prevent and/or reverse EAE. The relative roles of these two Th2 cytokines in the regulation of EAE has not been evaluated. Utilizing IL-4 and IL-10 knockout mice deficient for these cytokines and IL-10 and IL-4 transgenic mice overexpressing these cytokines, we demonstrate that IL-10-deficient mice (IL-10−/−) are more susceptible and develop a more severe EAE when compared with IL-4-deficient mice (IL-4−/−) or wild-type mice. T cells from IL-10−/− mice exhibit a stronger Ag-specific proliferation, produce more proinflammatory cytokines (IFN-γ and TNF-α) when stimulated with an encephalitogenic peptide, and induce very severe EAE upon transfer into wild-type mice. In contrast, while IL-4 transgenic mice develop similar disease compared with their nontransgenic littermates, mice transgenic for IL-10 are completely resistant to the development of EAE. Taken together, our data suggest that IL-10 plays a more critical role in the regulation of EAE by regulating autopathogenic Th1 responses.