Abstract During activation, T cells undergo extensive changes in gene expression which shape the properties of cells to exert their effector function. Therefore, understanding the genetic regulation of gene expression during T cell activation provides essential insights into how genetic variants influence the response to infections and immune diseases. We generated a single-cell map of expression quantitative trait loci (eQTL) across a T cell activation time-course. We profiled 655,349 CD4 + naive and memory T cells, capturing transcriptional states of unstimulated cells and three time points of cell activation in 119 healthy individuals. We identified 38 cell clusters, including stable clusters such as central and effector memory T cells and transient clusters that were only present at individual time points of activation, such as interferon-responding cells. We mapped eQTLs using a T cell activation trajectory and identified 6,407 eQTL genes, of which a third (2,265 genes) were dynamically regulated during T cell activation. We integrated this information with GWAS variants for immune-mediated diseases and observed 127 colocalizations, with significant enrichment in dynamic eQTLs. Immune disease loci colocalized with genes that are involved in the regulation of T cell activation, and genes with similar functions tended to be perturbed in the same direction by disease risk alleles. Our results emphasize the importance of mapping context-specific gene expression regulation, provide insights into the mechanisms of genetic susceptibility of immune diseases, and help prioritize new therapeutic targets.

Identifying cellular functions dysregulated by disease associated variants could implicate novel pathways for drug targeting or modulation in cell therapies. Variants associated with immune diseases point towards the role of CD4+ regulatory T cells (Tregs), cell type critical for immune homeostasis. To translate the effects of immune disease alleles on Treg function we mapped genetic regulation (QTL) of gene expression and chromatin activity in Tregs. We identified 123 loci where Treg QTLs colocalized with immune disease variants. These colocalizations indicated that dysregulation of key Treg pathways, including cell activation via CD28 and IL-2 signalling mediated by STAT5A contribute to the shared pathobiology of immune diseases. Finally, using disease GWAS signals colocalizing with Treg QTLs, we identified 34 known drug targets and 270 targets with drug tractability evidence. Our study is the first in-depth characterization of immune disease variant effects on Treg gene expression modulation and dysregulation of Treg function.

T cell activation is a critical driver of immune response and if uncontrolled, it can result in failure to respond to infection or in excessive inflammation and autoimmunity. CD28 costimulatory pathway is an essential regulator of CD4 T cell responses. To deconvolute how T cell receptor (TCR) and CD28 orchestrate activation of human CD4 T cells we stimulated cells using varying intensities of TCR and CD28 signals followed by gene expression profiling. We demonstrate that T-helper differentiation and cytokine expression are controlled by CD28. Strikingly, cell cycle and cell division are sensitive to CD28 in memory cells, but under TCR control in naive cells, in contrast to the paradigm that memory cells are CD28-independent. Using a combination of chromatin accessibility and enhancer profiling, we observe that IRFs and Blimp-1 (PRDM1) motifs are enriched in naive and memory T cells in response to TCR. In contrast, memory cells initiate AP1 transcriptional regulation only when both TCR and CD28 are engaged, implicating CD28 as an amplifier of transcriptional programmes in memory cells. Lastly, we show that CD28-sensitive genes are enriched in autoimmune disease loci, pointing towards the role of memory cells and the regulation of T cell activation through CD28 in autoimmune disease development. This study provides important insights into the differential role of CD28 in naive and memory T cell responses and offers a new platform for design and interpretation of costimulatory based therapies.

Complex immune disease variants are enriched in active chromatin regions of T cells and macrophages. However, whether these variants function in specific cell states or stages of cell activation is unknown. We stimulated T cells and macrophages in the presence of thirteen different cytokine cocktails linked to immune diseases and profiled active enhancers and promoters together with regions of open chromatin. We observed that T cell activation induced major chromatin remodelling, while additional exposure to cytokines fine-tuned the magnitude of these changes. Therefore, we developed a new statistical method that accounts for subtle changes in chromatin landscape to identify SNP enrichment across cell states. Our results point towards the role of immune disease variants in early rather than late activation of memory CD4+ T cells, and with limited differences across polarizing cytokines. Furthermore, we demonstrate that inflammatory bowel disease variants are enriched in chromatin regions active in Th1 cells, while asthma variants overlap regions active in Th2 cells. We also show that Alzheimer disease variants are enriched in different macrophage cell states. Our results represent the first in-depth analysis of immune disease variants across a comprehensive panel of activation states of T cells and macrophages.

Genome-wide association studies (GWAS) have mapped thousands of susceptibility loci associated with immune-mediated diseases, many of which are shared across multiple diseases. To assess the extent of the genetic sharing across nine immune-mediated diseases we applied genomic structural equation modelling (genomic SEM) to GWAS data. By modelling the genetic covariance between these diseases, we identified three distinct groups: gastrointestinal tract diseases, rheumatic and systemic diseases, and allergic diseases. We identified 92, 103 and 91 genetic loci that predispose to each of these disease groups, with only 12 of them being shared across groups. Although loci associated with each of these disease groups were highly specific, they converged on perturbing the same pathways, primarily T cell activation and cytokine signalling. Finally, to assess whether variants associated with each disease group modulate gene expression in immune cells, we tested for colocalization between loci and single-cell eQTLs derived from peripheral blood mononuclear cells. We identified the causal route by which 47 loci contribute to predisposition to these three disease groups. In addition, given that the assessed variants are pleiotropic, we found evidence for eight of these genes being strong candidates for drug repurposing. Taken together, our data suggest that different constellations of diseases have distinct patterns of genetic association, but that associated loci converge on perturbing different nodes in a common set of T cell activation and signalling pathways.

Naive CD4+ T cells coordinate the immune response by acquiring an effector phenotype in response to cytokines. However, the cytokine responses in memory T cells remain largely understudied. We used quantitative proteomics, bulk RNA-seq and single-cell RNA-seq of over 40,000 human naive and memory CD4+ T cells to generate a detailed map of cytokine-regulated gene expression programs. We demonstrated that cytokine response differs substantially between naive and memory T cells and showed that memory cells are unable to differentiate into the Th2 phenotype. Moreover, memory T cells acquire a Th17-like phenotype in response to iTreg polarization. At the single-cell level, we demonstrated that T cells form a continuum which progresses from naive to effector memory T cells. This continuum is accompanied by a gradual increase in the expression levels of chemokines and cytokines and thus represents an effectorness gradient. Finally, we found that T cell cytokine responses are determined by where the cells lie in the effectorness gradient and identified genes whose expression is controlled by cytokines in an effectorness-dependent manner. Our results shed light on the heterogeneity of T cells and their responses to cytokines, provide insight into immune disease inflammation and could inform drug development.