Systemic lupus erythematosus (SLE) is a prototype systemic autoimmune disease characterized by flares of high morbidity. Using oligonucleotide microarrays, we now show that active SLE can be distinguished by a remarkably homogeneous gene expression pattern with overexpression of granulopoiesis-related and interferon (IFN)-induced genes. Using the most stringent statistical analysis (Bonferroni correction), 15 genes were found highly up-regulated in SLE patients, 14 of which are targets of IFN and one, defensin DEFA-3, a major product of immature granulocytes. A more liberal correction (Benjamini and Hochberg correction) yielded 18 additional genes, 12 of which are IFN-regulated and 4 granulocyte-specific. Indeed immature neutrophils were identified in a large fraction of SLE patients white blood cells. High dose glucocorticoids, a standard treatment of disease flares, shuts down the interferon signature, further supporting the role of this cytokine in SLE. The expression of 10 genes correlated with disease activity according to the SLEDAI. The most striking correlation (P < 0.001, r = 0.55) was found with the formyl peptide receptor-like 1 protein that mediates chemotactic activities of defensins. Therefore, while the IFN signature confirms the central role of this cytokine in SLE, microarray analysis of blood cells reveals that immature granulocytes may be involved in SLE pathogenesis.

A mouse bearing multiple human cytokine genes enables in vivo development and function of various human innate immune cell types. Mice repopulated with human hematopoietic cells are a powerful tool for the study of human hematopoiesis and immune function in vivo. However, existing humanized mouse models cannot support development of human innate immune cells, including myeloid cells and natural killer (NK) cells. Here we describe two mouse strains called MITRG and MISTRG, in which human versions of four genes encoding cytokines important for innate immune cell development are knocked into their respective mouse loci. The human cytokines support the development and function of monocytes, macrophages and NK cells derived from human fetal liver or adult CD34+ progenitor cells injected into the mice. Human macrophages infiltrated a human tumor xenograft in MITRG and MISTRG mice in a manner resembling that observed in tumors obtained from human patients. This humanized mouse model may be used to model the human immune system in scenarios of health and pathology, and may enable evaluation of therapeutic candidates in an in vivo setting relevant to human physiology.

Summary

 The analysis of patient blood transcriptional profiles offers a means to investigate the immunological mechanisms relevant to human diseases on a genome-wide scale. In addition, such studies provide a basis for the discovery of clinically relevant biomarker signatures. We designed a strategy for microarray analysis that is based on the identification of transcriptional modules formed by genes coordinately expressed in multiple disease data sets. Mapping changes in gene expression at the module level generated disease-specific transcriptional fingerprints that provide a stable framework for the visualization and functional interpretation of microarray data. These transcriptional modules were used as a basis for the selection of biomarkers and the development of a multivariate transcriptional indicator of disease progression in patients with systemic lupus erythematosus. Thus, this work describes the implementation and application of a methodology designed to support systems-scale analysis of the human immune system in translational research settings.

Little is known about the functional differences between the human skin myeloid dendritic cell (DC) subsets, epidermal CD207+ Langerhans cells (LCs) and dermal CD14+ DCs. We showed that CD14+ DCs primed CD4+ T cells into cells that induce naive B cells to switch isotype and become plasma cells. In contrast, LCs preferentially induced the differentiation of CD4+ T cells secreting T helper 2 (Th2) cell cytokines and were efficient at priming and crosspriming naive CD8+ T cells. A third DC population, CD14−CD207−CD1a+ DC, which resides in the dermis, could activate CD8+ T cells better than CD14+ DCs but less efficiently than LCs. Thus, the human skin displays three DC subsets, two of which, i.e., CD14+ DCs and LCs, display functional specializations, the preferential activation of humoral and cellular immunity, respectively.

Cytokines, most particularly TNF and type I IFN (IFN-αβ), have been long considered essential elements in the development of autoimmunity. Identification of TNF in the pathogenesis of rheumatoid arthritis and TNF antagonist therapy represent successes of immunology. IFN-αβ plays a major role in systemic lupus erythematosus (SLE), a prototype autoimmune disease characterized by a break of tolerance to nuclear components. Here, we show that TNF regulates IFN-α production in vitro at two levels. First, it inhibits the generation of plasmacytoid dendritic cells (pDCs), a major producer of IFN-αβ, from CD34 + hematopoietic progenitors. Second, it inhibits IFN-α release by immature pDCs exposed to influenza virus. Neutralization of endogenous TNF sustains IFN-α secretion by pDCs. These findings are clinically relevant, as five of five patients with systemic juvenile arthritis treated with TNF antagonists display overexpression of IFN-α-regulated genes in their blood leukocytes. These results, therefore, might provide a mechanistic explanation for the development of anti-dsDNA antibodies and lupus-like syndrome in patients undergoing anti-TNF therapy.

Abstract Each infectious agent represents a unique combination of pathogen-associated molecular patterns that interact with specific pattern-recognition receptors expressed on immune cells. Therefore, we surmised that the blood immune cells of individuals with different infections might bear discriminative transcriptional signatures. Gene expression profiles were obtained for 131 peripheral blood samples from pediatric patients with acute infections caused by influenza A virus, Gram-negative (Escherichia coli) or Gram-positive (Staphylococcus aureus and Streptococcus pneumoniae) bacteria. Thirty-five genes were identified that best discriminate patients with influenza A virus infection from patients with either E coli or S pneumoniae infection. These genes classified with 95% accuracy (35 of 37 samples) an independent set of patients with either influenza A, E coli, or S pneumoniae infection. A different signature discriminated patients with E coli versus S aureus infections with 85% accuracy (34 of 40). Furthermore, distinctive gene expression patterns were observed in patients presenting with respiratory infections of different etiologies. Thus, microarray analyses of patient peripheral blood leukocytes might assist in the differential diagnosis of infectious diseases.

Abstract Dendritic cells (DCs) have a unique ability to stimulate naive T cells. Recent evidence suggests that distinct DC subsets direct different classes of immune responses in vitro and in vivo. In humans, the monocyte-derived CD11c+ DCs induce T cells to produce Th1 cytokines in vitro, whereas the CD11c− plasmacytoid T cell-derived DCs elicit the production of Th2 cytokines. In this paper we report that administration of either Flt3-ligand (FL) or G-CSF to healthy human volunteers dramatically increases distinct DC subsets, or DC precursors, in the blood. FL increases both the CD11c+ DC subset (48-fold) and the CD11c− IL-3R+ DC precursors (13-fold). In contrast, G-CSF only increases the CD11c− precursors (&gt;7-fold). Freshly sorted CD11c+ but not CD11c− cells stimulate CD4+ T cells in an allogeneic MLR, whereas only the CD11c− cells can be induced to secrete high levels of IFN-α, in response to influenza virus. CD11c+ and CD11c− cells can mature in vitro with GM-CSF + TNF-α or with IL-3 + CD40 ligand, respectively. These two subsets up-regulate MHC class II costimulatory molecules as well as the DC maturation marker DC-lysosome-associated membrane protein, and they stimulate naive, allogeneic CD4+ T cells efficiently. These two DC subsets elicit distinct cytokine profiles in CD4+ T cells, with the CD11c− subset inducing higher levels of the Th2 cytokine IL-10. The differential mobilization of distinct DC subsets or DC precursors by in vivo administration of FL and G-CSF offers a novel strategy to manipulate immune responses in humans.

A major goal of systems biology is the development of models that accurately predict responses to perturbation. Constructing such models requires the collection of dense measurements of system states, yet transformation of data into predictive constructs remains a challenge. To begin to model human immunity, we analyzed immune parameters in depth both at baseline and in response to influenza vaccination. Peripheral blood mononuclear cell transcriptomes, serum titers, cell subpopulation frequencies, and B cell responses were assessed in 63 individuals before and after vaccination and were used to develop a systematic framework to dissect inter- and intra-individual variation and build predictive models of postvaccination antibody responses. Strikingly, independent of age and pre-existing antibody titers, accurate models could be constructed using pre-perturbation cell populations alone, which were validated using independent baseline time points. Most of the parameters contributing to prediction delineated temporally stable baseline differences across individuals, raising the prospect of immune monitoring before intervention.

Autoantibodies against nucleic acids and excessive type I interferon (IFN) are hallmarks of human systemic lupus erythematosus (SLE). We previously reported that SLE neutrophils exposed to TLR7 agonist autoantibodies release interferogenic DNA, which we now demonstrate to be of mitochondrial origin. We further show that healthy human neutrophils do not complete mitophagy upon induction of mitochondrial damage. Rather, they extrude mitochondrial components, including DNA (mtDNA), devoid of oxidized (Ox) residues. When mtDNA undergoes oxidation, it is directly routed to lysosomes for degradation. This rerouting requires dissociation from the transcription factor A mitochondria (TFAM), a dual high-mobility group (HMG) protein involved in maintenance and compaction of the mitochondrial genome into nucleoids. Exposure of SLE neutrophils, or healthy IFN-primed neutrophils, to antiribonucleotide protein autoantibodies blocks TFAM phosphorylation, a necessary step for nucleoid dissociation. Consequently, Ox nucleoids accumulate within mitochondria and are eventually extruded as potent interferogenic complexes. In support of the in vivo relevance of this phenomenon, mitochondrial retention of Ox nucleoids is a feature of SLE blood neutrophils, and autoantibodies against Ox mtDNA are present in a fraction of patients. This pathway represents a novel therapeutic target in human SLE.