Summary

 Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is typically very mild and often asymptomatic in children. A complication is the rare multisystem inflammatory syndrome in children (MIS-C) associated with COVID-19, presenting 4–6 weeks after infection as high fever, organ dysfunction, and strongly elevated markers of inflammation. The pathogenesis is unclear but has overlapping features with Kawasaki disease suggestive of vasculitis and a likely autoimmune etiology. We apply systems-level analyses of blood immune cells, cytokines, and autoantibodies in healthy children, children with Kawasaki disease enrolled prior to COVID-19, children infected with SARS-CoV-2, and children presenting with MIS-C. We find that the inflammatory response in MIS-C differs from the cytokine storm of severe acute COVID-19, shares several features with Kawasaki disease, but also differs from this condition with respect to T cell subsets, interleukin (IL)-17A, and biomarkers associated with arterial damage. Finally, autoantibody profiling suggests multiple autoantibodies that could be involved in the pathogenesis of MIS-C.

Abstract Patients with autoimmune polyendocrinopathy syndrome type 1 (APS-1) caused by autosomal recessive AIRE deficiency produce autoantibodies that neutralize type I interferons (IFNs) 1,2 , conferring a predisposition to life-threatening COVID-19 pneumonia 3 . Here we report that patients with autosomal recessive NIK or RELB deficiency, or a specific type of autosomal-dominant NF-κB2 deficiency, also have neutralizing autoantibodies against type I IFNs and are at higher risk of getting life-threatening COVID-19 pneumonia. In patients with autosomal-dominant NF-κB2 deficiency, these autoantibodies are found only in individuals who are heterozygous for variants associated with both transcription (p52 activity) loss of function (LOF) due to impaired p100 processing to generate p52, and regulatory (IκBδ activity) gain of function (GOF) due to the accumulation of unprocessed p100, therefore increasing the inhibitory activity of IκBδ (hereafter, p52 LOF /IκBδ GOF ). By contrast, neutralizing autoantibodies against type I IFNs are not found in individuals who are heterozygous for NFKB2 variants causing haploinsufficiency of p100 and p52 (hereafter, p52 LOF /IκBδ LOF ) or gain-of-function of p52 (hereafter, p52 GOF /IκBδ LOF ). In contrast to patients with APS-1, patients with disorders of NIK, RELB or NF-κB2 have very few tissue-specific autoantibodies. However, their thymuses have an abnormal structure, with few AIRE-expressing medullary thymic epithelial cells. Human inborn errors of the alternative NF-κB pathway impair the development of AIRE-expressing medullary thymic epithelial cells, thereby underlying the production of autoantibodies against type I IFNs and predisposition to viral diseases.

Abstract Infectious, inflammatory and autoimmune conditions present differently in males and females. SARS-CoV-2 infection in naive males is associated with increased risk of death, whereas females are at increased risk of long COVID 1 , similar to observations in other infections 2 . Females respond more strongly to vaccines, and adverse reactions are more frequent 3 , like most autoimmune diseases 4 . Immunological sex differences stem from genetic, hormonal and behavioural factors 5 but their relative importance is only partially understood 6–8 . In individuals assigned female sex at birth and undergoing gender-affirming testosterone therapy (trans men), hormone concentrations change markedly but the immunological consequences are poorly understood. Here we performed longitudinal systems-level analyses in 23 trans men and found that testosterone modulates a cross-regulated axis between type-I interferon and tumour necrosis factor. This is mediated by functional attenuation of type-I interferon responses in both plasmacytoid dendritic cells and monocytes. Conversely, testosterone potentiates monocyte responses leading to increased tumour necrosis factor, interleukin-6 and interleukin-15 production and downstream activation of nuclear factor kappa B-regulated genes and potentiation of interferon-γ responses, primarily in natural killer cells. These findings in trans men are corroborated by sex-divergent responses in public datasets and illustrate the dynamic regulation of human immunity by sex hormones, with implications for the health of individuals undergoing hormone therapy and our understanding of sex-divergent immune responses in cisgender individuals.

Phage Immunoprecipitation-Sequencing (PhIP-Seq) allows for unbiased, proteome-wide autoantibody discovery across a variety of disease settings, with identification of disease-specific autoantigens providing new insight into previously poorly understood forms of immune dysregulation. Despite several successful implementations of PhIP-Seq for autoantigen discovery, including our previous work (Vazquez et al. 2020), current protocols are inherently difficult to scale to accommodate large cohorts of cases and importantly, healthy controls. Here, we develop and validate a high throughput extension of PhIP-seq in various etiologies of autoimmune and inflammatory diseases, including APS1, IPEX, RAG1/2 deficiency, Kawasaki Disease (KD), Multisystem Inflammatory Syndrome in Children (MIS-C), and finally, mild and severe forms of COVID19. We demonstrate that these scaled datasets enable machine-learning approaches that result in robust prediction of disease status, as well as the ability to detect both known and novel autoantigens, such as PDYN in APS1 patients, and intestinally expressed proteins BEST4 and BTNL8 in IPEX patients. Remarkably, BEST4 antibodies were also found in 2 patients with RAG1/2 deficiency, one of whom had very early onset IBD. Scaled PhIP-Seq examination of both MIS-C and KD demonstrated rare, overlapping antigens, including CGNL1, as well as several strongly enriched putative pneumonia-associated antigens in severe COVID19, including the endosomal protein EEA1. Together, scaled PhIP-Seq provides a valuable tool for broadly assessing both rare and common autoantigen overlap between autoimmune diseases of varying origins and etiologies.

We report two unrelated adults with homozygous (P1) or compound heterozygous (P2) private loss-of-function variants of V-Rel Reticuloendotheliosis Viral Oncogene Homolog B ( RELB). The resulting deficiency of functional RelB impairs the induction of NFKB2 mRNA and NF-κB2 (p100/p52) protein by lymphotoxin in the fibroblasts of the patients. These defects are rescued by transduction with wild-type RELB complementary DNA (cDNA). By contrast, the response of RelB-deficient fibroblasts to Tumor Necrosis Factor (TNF) or IL-1β via the canonical NF-κB pathway remains intact. P1 and P2 have low proportions of naïve CD4 + and CD8 + T cells and of memory B cells. Moreover, their naïve B cells cannot differentiate into immunoglobulin G (IgG)- or immunoglobulin A (IgA)-secreting cells in response to CD40L/IL-21, and the development of IL-17A/F-producing T cells is strongly impaired in vitro. Finally, the patients produce neutralizing autoantibodies against type I interferons (IFNs), even after hematopoietic stem cell transplantation, attesting to a persistent dysfunction of thymic epithelial cells in T cell selection and central tolerance to some autoantigens. Thus, inherited human RelB deficiency disrupts the alternative NF-κB pathway, underlying a T- and B cell immunodeficiency, which, together with neutralizing autoantibodies against type I IFNs, confers a predisposition to viral, bacterial, and fungal infections.