The protein cytotoxic T lymphocyte antigen-4 (CTLA-4) is an essential negative regulator of immune responses, and its loss causes fatal autoimmunity in mice. We studied a large family in which five individuals presented with a complex, autosomal dominant immune dysregulation syndrome characterized by hypogammaglobulinemia, recurrent infections and multiple autoimmune clinical features. We identified a heterozygous nonsense mutation in exon 1 of CTLA4. Screening of 71 unrelated patients with comparable clinical phenotypes identified five additional families (nine individuals) with previously undescribed splice site and missense mutations in CTLA4. Clinical penetrance was incomplete (eight adults of a total of 19 genetically proven CTLA4 mutation carriers were considered unaffected). However, CTLA-4 protein expression was decreased in regulatory T cells (Treg cells) in both patients and carriers with CTLA4 mutations. Whereas Treg cells were generally present at elevated numbers in these individuals, their suppressive function, CTLA-4 ligand binding and transendocytosis of CD80 were impaired. Mutations in CTLA4 were also associated with decreased circulating B cell numbers. Taken together, mutations in CTLA4 resulting in CTLA-4 haploinsufficiency or impaired ligand binding result in disrupted T and B cell homeostasis and a complex immune dysregulation syndrome.

CEACAM1 functions as a novel heterophilic ligand for TIM-3 and is necessary for TIM-3-mediated tolerance, which has marked consequences for inflammation, infection and cancer. T cell regulation is mediated by a number of inhibitory cell surface molecules such as T-cell immunoglobulin domain and mucin domain-3 (TIM-3), a possible target for cancer immunotherapy that has been reported to act as an immune checkpoint in tumour-induced immune suppression. However, the tolerance inducing ligand for TIM-3 has yet to be uncovered, and TIM-3 may also possess activating functions under some circumstances. This study identifies carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule 1 (CAECAM1) as the heterophilic ligand for murine TIM-3 that is required for TIM-3 to mediate tolerance and ensure its optimal maturation, cell surface expression and regulatory function. Co-blockade of CEACAM1 and TIM-3 leads to enhancement of anti-tumour immune responses, with improved elimination of tumours in mouse colorectal cancer models. T-cell immunoglobulin domain and mucin domain-3 (TIM-3, also known as HAVCR2) is an activation-induced inhibitory molecule involved in tolerance and shown to induce T-cell exhaustion in chronic viral infection and cancers1,2,3,4,5. Under some conditions, TIM-3 expression has also been shown to be stimulatory. Considering that TIM-3, like cytotoxic T lymphocyte antigen 4 (CTLA-4) and programmed death 1 (PD-1), is being targeted for cancer immunotherapy, it is important to identify the circumstances under which TIM-3 can inhibit and activate T-cell responses. Here we show that TIM-3 is co-expressed and forms a heterodimer with carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule 1 (CEACAM1), another well-known molecule expressed on activated T cells and involved in T-cell inhibition6,7,8,9,10. Biochemical, biophysical and X-ray crystallography studies show that the membrane-distal immunoglobulin-variable (IgV)-like amino-terminal domain of each is crucial to these interactions. The presence of CEACAM1 endows TIM-3 with inhibitory function. CEACAM1 facilitates the maturation and cell surface expression of TIM-3 by forming a heterodimeric interaction in cis through the highly related membrane-distal N-terminal domains of each molecule. CEACAM1 and TIM-3 also bind in trans through their N-terminal domains. Both cis and trans interactions between CEACAM1 and TIM-3 determine the tolerance-inducing function of TIM-3. In a mouse adoptive transfer colitis model, CEACAM1-deficient T cells are hyper-inflammatory with reduced cell surface expression of TIM-3 and regulatory cytokines, and this is restored by T-cell-specific CEACAM1 expression. During chronic viral infection and in a tumour environment, CEACAM1 and TIM-3 mark exhausted T cells. Co-blockade of CEACAM1 and TIM-3 leads to enhancement of anti-tumour immune responses with improved elimination of tumours in mouse colorectal cancer models. Thus, CEACAM1 serves as a heterophilic ligand for TIM-3 that is required for its ability to mediate T-cell inhibition, and this interaction has a crucial role in regulating autoimmunity and anti-tumour immunity.

Background: After many years of concentrated research efforts, the exact cause of Crohns disease remains unknown. Its accurate diagnosis, however, helps in management and even preventing the onset of disease. Genome wide association studies have identified 140 loci associated with CD, but these carry very small log odds ratios and are uninformative for diagnoses. Results: Here we describe a machine learning method, AVA,Dx (Analysis of Variation for Association with Disease), that uses whole exome sequencing data to make predictions of CD status. Using the person-specific variation in these genes from a panel of only 111 individuals, we built disease prediction models informative of previously undiscovered disease genes. In this panel, our models differentiate CD patients from healthy controls with 71% precision and 73% recall at the default cutoff. By additionally accounting for batch effects, we are also able to predict individual CD status for previously unseen individuals from a separate CD study (84% precision, 73% recall). Conclusions: Larger training panels and additional features, including regulatory variants and environmental factors, e.g. human associated microbiota, are expected to improve model performance. However, current results already position AVA,Dx as both an effective method for highlighting pathogenesis pathways and as a simple Crohns disease risk analysis tool, which can improve clinical diagnostic time and accuracy.

As part of a broader collaborative network of exome sequencing studies, we developed a jointly called data set of 5,685 Ashkenazi Jewish exomes. We make publicly available a resource of site and allele frequencies, which should serve as a reference for medical genetics in the Ashkenazim. We estimate that 30% of protein-coding alleles present in the Ashkenazi Jewish population at frequencies greater than 0.2% are significantly more frequent (mean 7.6-fold) than their maximum frequency observed in other reference populations. Arising via a well-described founder effect, this catalog of enriched alleles can contribute to differences in genetic risk and overall prevalence of diseases between populations. As validation we document 151 AJ enriched protein-altering alleles that overlap with ``pathogenic" ClinVar alleles, including those that account for 10-100 fold differences in prevalence between AJ and non-AJ populations of some rare diseases including Gaucher disease (GBA, p.Asn409Ser, 8-fold enrichment); Canavan disease (ASPA, p.Glu285Ala, 12-fold enrichment); and Tay-Sachs disease (HEXA, c.1421+1G>C, 27-fold enrichment; p.Tyr427IlefsTer5, 12-fold enrichment). We next sought to use this catalog, of well-established relevance to Mendelian disease, to explore Crohn's disease, a common disease with an estimated two to four-fold excess prevalence in AJ. We specifically evaluate whether strong acting rare alleles, enriched by the same founder-effect, contribute excess genetic risk to Crohn's disease in AJ, and find that ten rare genetic risk factors in NOD2 and LRRK2 are strongly enriched in AJ, including several novel contributing alleles, show evidence of association to CD. Independently, we find that genomewide common variant risk defined by GWAS shows a strong difference between AJ and non-AJ European control population samples (0.97 s.d. higher, p<10-16). Taken together, the results suggest coordinated selection in AJ population for higher CD risk alleles in general. The results and approach illustrate the value of exome sequencing data in case-control studies along with reference data sets like ExAC to pinpoint genetic variation that contributes to variable disease predisposition across populations.

Kell is one of the most complex blood group systems, with a highly polymorphic genetic background. Extensive allelic variations in the KEL gene affect the encoded erythrocyte surface protein Kell. Genetic variants causing aberrant splicing, premature termination of protein translation, or specific amino acid exchanges lead to a variety of different phenotypes with altered Kell expression levels or changes in the antigenic properties of the Kell protein. Using an in silico structural model of the Kell protein, we analyzed the biophysical and structural context of all full-length Kell variants of known phenotype. The results provided insights regarding the 3D co-localization of antigenic Kell variants and led us to suggest several conformational epitopes on the Kell protein surface. We found a number of correlations between the properties of individual genetic variants in the Kell protein and their respective serological phenotypes, which we used as a search filter to predict potentially new immunogenic Kell variants from an in-house whole exome sequencing dataset of 19,772 exomes. Our analysis workflow and results aid blood group serologists in predicting whether a newly identified Kell genetic variant may result in a specific phenotype.