Cytotoxic T cells are essential mediators of protective immunity to viral infection and malignant tumours and are a key target of immunotherapy approaches. However, prolonged exposure to cognate antigens often attenuates the effector capacity of T cells and limits their therapeutic potential1–4. This process, known as T cell exhaustion or dysfunction1, is manifested by epigenetically enforced changes in gene regulation that reduce the expression of cytokines and effector molecules and upregulate the expression of inhibitory receptors such as programmed cell-death 1 (PD-1)5–8. The underlying molecular mechanisms that induce and stabilize the phenotypic and functional features of exhausted T cells remain poorly understood9–12. Here we report that the development and maintenance of populations of exhausted T cells in mice requires the thymocyte selection-associated high mobility group box (TOX) protein13–15. TOX is induced by high antigen stimulation of the T cell receptor and correlates with the presence of an exhausted phenotype during chronic infections with lymphocytic choriomeningitis virus in mice and hepatitis C virus in humans. Removal of its DNA-binding domain reduces the expression of PD-1 at the mRNA and protein level, augments the production of cytokines and results in a more polyfunctional T cell phenotype. T cells with this deletion initially mediate increased effector function and cause more severe immunopathology, but ultimately undergo a massive decline in their quantity, notably among the subset of TCF-1+ self-renewing T cells. Altogether, we show that TOX is a critical factor for the normal progression of T cell dysfunction and the maintenance of exhausted T cells during chronic infection, and provide a link between the suppression of effector function intrinsic to CD8 T cells and protection against immunopathology. TOX is a critical factor for the normal progression of T cell dysfunction and the maintenance of exhausted T cells during chronic infections.

Immune-checkpoint-blockade (ICB)-mediated rejuvenation of exhausted T cells has emerged as a promising approach for treating various cancers and chronic infections. However, T cells that become fully exhausted during prolonged antigen exposure remain refractory to ICB-mediated rejuvenation. We report that blocking de novo DNA methylation in activated CD8 T cells allows them to retain their effector functions despite chronic stimulation during a persistent viral infection. Whole-genome bisulfite sequencing of antigen-specific murine CD8 T cells at the effector and exhaustion stages of an immune response identified progressively acquired heritable de novo methylation programs that restrict T cell expansion and clonal diversity during PD-1 blockade treatment. Moreover, these exhaustion-associated DNA-methylation programs were acquired in tumor-infiltrating PD-1hi CD8 T cells, and approaches to reverse these programs improved T cell responses and tumor control during ICB. These data establish de novo DNA-methylation programming as a regulator of T cell exhaustion and barrier of ICB-mediated T cell rejuvenation.

The spread of H5N1 avian influenza viruses (AIVs) from China to Europe has raised global concern about their potential to infect humans and cause a pandemic. In spite of their substantial threat to human health, remarkably little AIV whole-genome information is available. We report here a preliminary analysis of the first large-scale sequencing of AIVs, including 2196 AIV genes and 169 complete genomes. We combine this new information with public AIV data to identify new gene alleles, persistent genotypes, compensatory mutations, and a potential virulence determinant.

DNA methylation profiling of virus-specific T cells during acute viral infection in mice provides evidence that a fate-permissive subset of effector CD8 T cells dedifferentiates into long-lived memory T cells. Memory cells protect against reinfection, or protect against infection after vaccination, but whether they are derived from naive or effector T cells is unknown. Rafi Ahmed and colleagues study the generation, maintenance and characteristics of long-lived memory CD8 T cells in humans after yellow fever vaccination and deuterium labelling. The study demonstrates that long-lived memory CD8 T cells are derived from cells that have divided extensively during the effector phase of the infection. Quiescent memory cells appear to revert to a naive phenotype but maintain an upregulated pattern of gene regulation that resembles effector T cells. In a second paper in this issue, Rafi Ahmed and colleagues examine changes in DNA methylation during effector and memory CD8 T cell differentiation, providing support for a model in which long-lived memory cells arise from a precursor of effector cells. Memory CD8 T cells that circulate in the blood and are present in lymphoid organs are an essential component of long-lived T cell immunity. These memory CD8 T cells remain poised to rapidly elaborate effector functions upon re-exposure to pathogens, but also have many properties in common with naive cells, including pluripotency and the ability to migrate to the lymph nodes and spleen. Thus, memory cells embody features of both naive and effector cells, fuelling a long-standing debate centred on whether memory T cells develop from effector cells or directly from naive cells1,2,3,4. Here we show that long-lived memory CD8 T cells are derived from a subset of effector T cells through a process of dedifferentiation. To assess the developmental origin of memory CD8 T cells, we investigated changes in DNA methylation programming at naive and effector cell-associated genes in virus-specific CD8 T cells during acute lymphocytic choriomeningitis virus infection in mice. Methylation profiling of terminal effector versus memory-precursor CD8 T cell subsets showed that, rather than retaining a naive epigenetic state, the subset of cells that gives rise to memory cells acquired de novo DNA methylation programs at naive-associated genes and became demethylated at the loci of classically defined effector molecules. Conditional deletion of the de novo methyltransferase Dnmt3a at an early stage of effector differentiation resulted in reduced methylation and faster re-expression of naive-associated genes, thereby accelerating the development of memory cells. Longitudinal phenotypic and epigenetic characterization of the memory-precursor effector subset of virus-specific CD8 T cells transferred into antigen-free mice revealed that differentiation to memory cells was coupled to erasure of de novo methylation programs and re-expression of naive-associated genes. Thus, epigenetic repression of naive-associated genes in effector CD8 T cells can be reversed in cells that develop into long-lived memory CD8 T cells while key effector genes remain demethylated, demonstrating that memory T cells arise from a subset of fate-permissive effector T cells.

Jun Yang and colleagues show that common variants in GATA3 are associated with risk of Ph-like acute lymphoblastic leukemia (ALL). They further show that these variants are associated with variation in GATA3 expression levels and with risk of ALL relapse. Recent genomic profiling of childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL) identified a high-risk subtype with an expression signature resembling that of Philadelphia chromosome–positive ALL and poor prognosis (Ph-like ALL). However, the role of inherited genetic variation in Ph-like ALL pathogenesis remains unknown. In a genome-wide association study (GWAS) of 511 ALL cases and 6,661 non-ALL controls, we identified a susceptibility locus for Ph-like ALL (GATA3, rs3824662; P = 2.17 × 10−14, odds ratio (OR) = 3.85 for Ph-like ALL versus non-ALL; P = 1.05 × 10−8, OR = 3.25 for Ph-like ALL versus non-Ph-like ALL), with independent validation. The rs3824662 risk allele was associated with somatic lesions underlying Ph-like ALL (CRLF2 rearrangement, JAK gene mutation and IKZF1 deletion) and with variation in GATA3 expression. Finally, genotype at the GATA3 SNP was also associated with early treatment response and risk of ALL relapse. Our results provide insights into interactions between inherited and somatic variants and their role in ALL pathogenesis and prognosis.

Mary Relling and colleagues explore the effects of ancestry on the pharmacogenomics of relapse in acute lymphoblastic leukemia. They found that Native American ancestry was associated with risk of relapse but that differences in relapse risk were abrogated by the addition of a single extra phase of chemotherapy. Although five-year survival rates for childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL) are now over 80% in most industrialized countries1, not all children have benefited equally from this progress2. Ethnic differences in survival after childhood ALL have been reported in many clinical studies3,4,5,6,7,8,9,10,11, with poorer survival observed among African Americans or those with Hispanic ethnicity when compared with European Americans or Asians3,4,5. The causes of ethnic differences remain uncertain, although both genetic and non-genetic factors are likely important4,12. Interrogating genome-wide germline SNP genotypes in an unselected large cohort of children with ALL, we observed that the component of genomic variation that co-segregated with Native American ancestry was associated with risk of relapse (P = 0.0029) even after adjusting for known prognostic factors (P = 0.017). Ancestry-related differences in relapse risk were abrogated by the addition of a single extra phase of chemotherapy, indicating that modifications to therapy can mitigate the ancestry-related risk of relapse.

Importance

 With cure rates of childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL) exceeding 85%, there is a need to mitigate treatment toxicities that can compromise quality of life, including peripheral neuropathy from vincristine treatment. 

Objective

 To identify genetic germline variants associated with the occurrence or severity of vincristine-induced peripheral neuropathy in children with ALL. 

Design, Setting, and Participants

 Genome-wide association study of patients in 1 of 2 prospective clinical trials for childhood ALL that included treatment with 36 to 39 doses of vincristine. Genome-wide single-nucleotide polymorphism (SNP) analysis and vincristine-induced peripheral neuropathy were assessed in 321 patients from whom DNA was available: 222 patients (median age, 6.0 years; range, 0.1-18.8 years) enrolled in 1994-1998 in the St Jude Children’s Research Hospital protocol Total XIIIB with toxic effects follow-up through January 2001, and 99 patients (median age, 11.4 years; range, 3.0-23.8 years) enrolled in 2007-2010 in the Children’s Oncology Group (COG) protocol AALL0433 with toxic effects follow-up through May 2011. Human leukemia cells and induced pluripotent stem cell neurons were used to assess the effects of lowerCEP72expression on vincristine sensitivity. 

Exposure

 Treatment with vincristine at a dose of 1.5 or 2.0 mg/m². 

Main Outcomes and Measures

 Vincristine-induced peripheral neuropathy was assessed at clinic visits using National Cancer Institute criteria and prospectively graded as mild (grade 1), moderate (grade 2), serious/disabling (grade 3), or life threatening (grade 4). 

Results

 Grade 2 to 4 vincristine-induced neuropathy during continuation therapy occurred in 28.8% of patients (64/222) in the St Jude cohort and in 22.2% (22/99) in the COG cohort. A SNP in the promoter region of theCEP72gene, which encodes a centrosomal protein involved in microtubule formation, had a significant association with vincristine neuropathy (meta-analysisP = 6.3×10⁻⁹). This SNP had a minor allele frequency of 37% (235/642), with 50 of 321 patients (16%; 95% CI, 11.6%-19.5%) homozygous for the risk allele (TT at rs924607). Among patients with the high-riskCEP72genotype (TT at rs924607), 28 of 50 (56%; 95% CI, 41.2%-70.0%) developed at least 1 episode of grade 2 to 4 neuropathy, a higher rate than in patients with theCEP72CC or CT genotypes (58/271 patients [21.4%; 95% CI, 16.9%-26.7%];P = 2.4×10⁻⁶). The severity of neuropathy was greater in patients homozygous for the TT genotype compared with patients with the CC or CT genotype (2.4-fold by Poisson regression [P<.0001] and 2.7-fold based on mean grade of neuropathy: 1.23 [95% CI, 0.74-1.72] vs 0.45 [95% CI, 0.3-0.6];P = .004 byttest). ReducingCEP72expression in human neurons and leukemia cells increased their sensitivity to vincristine. 

Conclusions and Relevance

 In this preliminary study of children with ALL, an inherited polymorphism in the promoter region ofCEP72was associated with increased risk and severity of vincristine-related peripheral neuropathy. If replicated in additional populations, this finding may provide a basis for safer dosing of this widely prescribed anticancer agent.

Methotrexate is used to treat autoimmune diseases and malignancies, including acute lymphoblastic leukemia (ALL). Inter-individual variation in clearance of methotrexate results in heterogeneous systemic exposure, clinical efficacy, and toxicity. In a genome-wide association study of children with ALL, we identified SLCO1B1 as harboring multiple common polymorphisms associated with methotrexate clearance. The extent of influence of rare versus common variants on pharmacogenomic phenotypes remains largely unexplored. We tested the hypothesis that rare variants in SLCO1B1 could affect methotrexate clearance and compared the influence of common versus rare variants in addition to clinical covariates on clearance. From deep resequencing of SLCO1B1 exons in 699 children, we identified 93 SNPs, 15 of which were non-synonymous (NS). Three of these NS SNPs were common, with a minor allele frequency (MAF) >5%, one had low frequency (MAF 1%–5%), and 11 were rare (MAF <1%). NS SNPs (common or rare) predicted to be functionally damaging were more likely to be found among patients with the lowest methotrexate clearance than patients with high clearance. We verified lower function in vitro of four SLCO1B1 haplotypes that were associated with reduced methotrexate clearance. In a multivariate stepwise regression analysis adjusting for other genetic and non-genetic covariates, SLCO1B1 variants accounted for 10.7% of the population variability in clearance. Of that variability, common NS variants accounted for the majority, but rare damaging NS variants constituted 17.8% of SLCO1B1 's effects (1.9% of total variation) and had larger effect sizes than common NS variants. Our results show that rare variants are likely to have an important effect on pharmacogenetic phenotypes.

Infection with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in humans could cause coronavirus disease 2019 (COVID-19). Since its first discovery in Dec 2019, SARS-CoV-2 has become a global pandemic and caused 3.3 million direct/indirect deaths (2021 May). Amongst the scientific community's response to COVID-19, data sharing has emerged as an essential aspect of the combat against SARS-CoV-2. Despite the ever-growing studies about SARS-CoV-2 and COVID-19, to date, only a few databases were curated to enable access to gene expression data. Furthermore, these databases curated only a small set of data and do not provide easy access for investigators without computational skills to perform analyses. To fill this gap and advance open-access to the growing gene expression data on this deadly virus, we collected about 1,500 human bulk RNA-seq datasets from publicly available resources, developed a database and visualization tool, named CovidExpress (https://stjudecab.github.io/covidexpress). This open access database will allow research investigators to examine the gene expression in various tissues, cell lines, and their response to SARS-CoV-2 under different experimental conditions, accelerating the understanding of the etiology of this disease to inform the drug and vaccine development. Our integrative analysis of this big dataset highlights a set of commonly regulated genes in SARS-CoV-2 infected lung and Rhinovirus infected nasal tissues, including OASL that were under-studied in COVID-19 related reports. Our results also suggested a potential FURIN positive feedback loop that might explain the evolutional advantage of SARS-CoV-2.