Abstract T cells recognising cognate pMHC antigens become activated to elicit a myriad of cellular responses, such as target cell killing and the secretion of different cytokines, that collectively contribute to adaptive immunity. These effector responses have been hypothesised to exhibit different antigen dose and affinity thresholds, suggesting that pathogen-specific information may be encoded within the nature of the antigen. Here, using systematic experiments in a reductionist system, where primary human CD8 + T cell blasts are stimulated by recombinant pMHC antigen alone, we show that different inflammatory cytokines have comparable antigen dose thresholds across a 25,000-fold variation in affinity. Although co-stimulation by CD28, CD2, and CD27 increased cytokine production in this system, the antigen threshold remained comparable across different cytokines. When using primary human memory CD8 + T cells responding to autologous antigen presenting cells equivalent thresholds were also observed for cytokine production and killing. These findings imply a simple phenotypic model of TCR signalling where multiple T cell responses share a common rate-limiting threshold and a conceptually simple model of antigen recognition, where the chance factor of antigen dose and affinity do not provide any additional response-specific information.

T cells must respond differently to antigens of varying affinity presented at different doses. Previous attempts to map pMHC affinity onto T cell responses have produced inconsistent patterns of responses preventing for- mulations of canonical models of T cell signalling. Here, a systematic analysis of T cell responses to 1,000,000-fold variations in both pMHC affinity and dose produced bell-shaped dose-response curves and different optimal pMHC affinities at different pMHC doses. Using sequential model rejection/identification algorithms, we identified a unique, minimal model of cellular signalling incorporating kinetic proofreading with limited signalling coupled to an incoherent feed forward loop (KPL-IFF), that reproduces these observations. We show that the KPL-IFF model correctly predicts the T cell response to antigen co-presentation. Our work offers a general approach for studying cellular signalling that does not require full details of biochemical pathways.

Maintaining and limiting T cell responses to constant antigen stimulation is critical to control pathogens and maintain self-tolerance, respectively. Antigen recognition by T cell receptors (TCRs) induces signalling that activates T cells to produce cytokines and also leads to the downregulation of surface TCRs. In other systems, receptor downregulation can induce perfect adaptation to constant stimulation by a mechanism known as state-dependent inactivation that requires complete downregulation of the receptor or the ligand. However, this is not the case for the TCR, and therefore, precisely how TCR downregulation maintains or limits T cell responses is controversial. Here, we observed that in vitro expanded primary human T cells exhibit perfect adaptation in cytokine production to constant antigen stimulation across a 100,000-fold variation in affinity with partial TCR downregulation. By directly fitting a mechanistic model to the data, we show that TCR downregulation produces imperfect adaptation, but when coupled to a switch produces perfect adaptation in cytokine production. A pre-diction of the model is that pMHC-induced TCR signalling continues after adaptation and this is confirmed by showing that, while costimulation cannot prevent adaptation, CD28 and 4-1BB signalling reactivated adapted T cells to produce cytokines in a pMHC-dependent manner. We show that adaptation also applied to 1st generation chimeric antigen receptor (CAR)-T cells but is partially avoided in 2nd generation CARs. These findings high-light that even partial TCR downregulation can limit T cell responses by producing perfect adaptation rendering T cells dependent on costimulation for sustained responses.