Most antibodies are highly specific, binding with high affinity to a single foreign antigen. However, an analysis of human immunodeficiency virus (HIV) envelope glycoprotein-specific monoclonal antibodies from infected subjects provides evidence for a surprisingly high degree of polyreactivity. Of 134 different antibodies directed at the gp140 envelope glycoprotein cloned from six patients, 75% were polyreactive, binding with high affinity to one gp140 site and with lower affinity to other sites on the viral surface. Relatively few gp140 glycoprotein spikes are displayed on the surface of HIV, so homotypic bivalent antibody binding is disfavoured and 'heteroligation' may help to improve net antibody affinity in such instances. During immune responses, antibodies are selected for their ability to bind to foreign antigens with high affinity, in part by their ability to undergo homotypic bivalent binding. However, this type of binding is not always possible. Here, the monoclonal antibodies produced in two infected subjects in response to human immunodeficiency virus (HIV) glycoprotein have been analysed. The results provide evidence for polyreactivity, which may be required when the density of glycoprotein spikes is so low that bivalent binding is unlikely. During immune responses, antibodies are selected for their ability to bind to foreign antigens with high affinity, in part by their ability to undergo homotypic bivalent binding. However, this type of binding is not always possible. For example, the small number of gp140 glycoprotein spikes displayed on the surface of the human immunodeficiency virus (HIV) disfavours homotypic bivalent antibody binding1,2,3. Here we show that during the human antibody response to HIV, somatic mutations that increase antibody affinity also increase breadth and neutralizing potency. Surprisingly, the responding naive and memory B cells produce polyreactive antibodies, which are capable of bivalent heteroligation between one high-affinity anti-HIV-gp140 combining site and a second low-affinity site on another molecular structure on HIV. Although cross-reactivity to self-antigens or polyreactivity is strongly selected against during B-cell development4, it is a common serologic feature of certain infections in humans, including HIV, Epstein-Barr virus and hepatitis C virus. Seventy-five per cent of the 134 monoclonal anti-HIV-gp140 antibodies cloned from six patients5 with high titres of neutralizing antibodies are polyreactive. Despite the low affinity of the polyreactive combining site, heteroligation demonstrably increases the apparent affinity of polyreactive antibodies to HIV.

High surface expression of programmed death 1 (PD-1) is associated with T-cell exhaustion; however, the relationship between PD-1 expression and T-cell dysfunction has not been delineated. We developed a model to study PD-1 signaling in primary human T cells to study how PD-1 expression affected T-cell function. By determining the number of T-cell receptor/peptide-MHC complexes needed to initiate a Ca(2+) flux, we found that PD-1 ligation dramatically shifts the dose-response curve, making T cells much less sensitive to T-cell receptor-generated signals. Importantly, other T-cell functions were differentially sensitive to PD-1 expression. We observed that high levels of PD-1 expression were required to inhibit macrophage inflammatory protein 1 beta production, lower levels were required to block cytotoxicity and IFN-γ production, and very low levels of PD-1 expression could inhibit TNF-α and IL-2 production as well as T-cell expansion. These findings provide insight into the role of PD-1 expression in enforcing T-cell exhaustion and the therapeutic potential of PD-1 blockade.

T cells expressing antigen-specific T-cell receptors (TCRs) can mediate effective tumor regression, but they often also are accompanied by autoimmune responses. To determine the TCR affinity threshold defining the optimal balance between effective antitumor activity and autoimmunity in vivo , we used a unique self-antigen system comprising seven human melanoma gp100(209–217)-specific TCRs spanning physiological affinities (1–100 μM). We found that in vitro and in vivo T-cell responses are determined by TCR affinity, except in one case that was compensated by substantial CD8 involvement. Strikingly, we found that T-cell antitumor activity and autoimmunity are closely coupled but plateau at a defined TCR affinity of 10 µM, likely due to diminished contribution of TCR affinity to avidity above the threshold. Together, these results suggest that a relatively low-affinity threshold is necessary for the immune system to avoid self-damage, given the close relationship between antitumor activity and autoimmunity. The low threshold, in turn, indicates that adoptive T-cell therapy treatment strategies using in vitro-generated high-affinity TCRs do not necessarily improve efficacy.

ABSTRACT Central to T cell biology, the T cell receptor (TCR) integrates forces in its triggering process upon interaction with peptide-major histocompatibility complex (pMHC) 1-3 . Phenotypically, forces elicit TCR catch-slip bonds with strong pMHCs but slip-only bonds with weak pMHCs 4-10 . While such correlation is commonly observed, the quantitative bond pattern and degree of “catchiness” vary. We developed two models based on the structure, elastic properties, and force-induced conformational changes of the TCR–pMHC-I/II complexes to derive from their bond characteristics more intrinsic parameters that underlie structural mechanisms, predict T cell signaling, and discriminate antigens. Applying the models to 55 datasets of 12 αβTCRs and their mutants interacting with corresponding pMHCs without coreceptor engagement demonstrated the ability for structural and physical parameters to quantitatively integrate and classify a broad range of bond behaviors and biological activities. Comparing to the generic two-state model for catch-slip bond that also fits the data, our models can distinguish class I from class II MHC systems and their best-fit parameters correlate with the TCR/pMHC potency to trigger T cell activation, which the generic model cannot. The models were tested by mutagenesis using structural analysis, bond profile measurement, and functional assay of a MHC and a TCR mutated to alter conformation changes. The extensive comparisons between theory and experiment provided strong validation of the models and testable hypothesis regarding specific conformational changes that control bond profiles, thereby suggesting structural mechanisms for the inner workings of the TCR mechanosensing machinery and plausible explanation of why and how force may amplify TCR signaling and antigen discrimination.

Abstract T cells play a vital role in adaptive immune responses to infections, inflammation and cancer and are dysregulated in autoimmunity. Antigen recognition by T cells – a key step in adaptive immune responses – is performed by the T cell receptor (TCR)-CD3 complex. The extracellular molecular organization of the individual CD3 subunits (CD3δε and CD3 γε) around the αβTCR is critical for T cell signaling. Here, we incorporated unnatural amino acid (UAA) photo-crosslinkers at specific mouse TCRα, TCRβ, CD3δ and CD3γ sites, based on previous mutagenesis, NMR spectroscopy and cryo-EM evidence, and crosslinking allowing us to identify nearby interacting CD3 or TCR subunits on the mammalian cell surface. Using this approach, we show that CD3γ and CD3ε, belonging to CD3γε heterodimer crosslinks to Cβ FG loop and Cβ G strand, respectively and CD3δ crosslinks to Cβ CC’ loop and Cα DE loop. Together with computational docking, we identify that in in situ cell-surface conformation, the CD3 subunits exists in CD3ε’-CD3γ-CD3ε-CD3δ arrangement around the αβ TCR. This unconventional technique, which uses the native mammalian cell surface microenvironment, includes the plasma membrane and excludes random, artificial crosslinks, captures a dynamic, biologically relevant, cell-surface conformation of the TCR-CD3 complex, which is compatible with the reported static cryo-EM structure’s overall CD3 subunits arrangement, but with key differences at the TCR-CD3 interface, which may be critical for experiments in T cell model systems.

ABSTRACT The T-cell receptor (TCR) complex comprises TCRαβ, CD3γε, CD3δε, and CD3ζζ. TCRαβ engagement with peptide-bound major histocompatibility complex (pMHC) triggers CD3 phosphorylation, which is regulated by mechanical force. However, the inner workings of the TCR mechanotransduction machinery remains unclear. TCR ectodomain (ECD) interactions have been inferred from structural and mutagenesis studies. Due to their extreme weakness, however, direct measurements of affinity had failed and of force regulation have never been attempted. Here we measured two-dimensional affinities and force-dependent lifetimes of interactions among TCRαβ, CD3γε, and CD3δε ECDs, showing a cooperative CD3δε–TCRαβ–CD3γε catch bond with longer- lasting lifetime that exceeds the TCR–pMHC bond lifetime. Molecular dynamics stimulations revealed a central interacting region surrounded by TCR ECDs and identified critical interacting residues at their interfaces. Interfering TCR ECD interactions by antibodies impaired TCR–pMHC interaction and T cell function. Mutating residues that mediate TCR ECD cis -interactions with CD3s altered the catch bond of TCR–pMHC trans -interaction, which correlates with changed T cell cytokine production. Thus, TCR mechanotransduction is supported by cooperative TCR ECD interactions, which regulates T cell function. Our results provide a missing link between pMHC ligation and CD3 signaling and may guide future TCR engineering design for immunotherapies.

Protein post-translational modifications play a vital role in various cellular events essential for maintaining cellular physiology and homeostasis. In cancer cells, aberrant post-translational modifications such as glycosylation, acetylation, and phosphorylation on proteins can result in the generation of antigenic peptide variants presented in complex with MHC molecules. These modified peptides add to the class of tumorspecific antigens and offer promising avenues for targeted anti- cancer therapies. In this review, we focus on the role of phosphorylated peptides (p-peptides) in cancer immunity. We discuss the mechanisms by which the phosphorylated moiety modifies the structural features and binding properties of p-peptides with MHC, compared to their non-phosphorylated counterparts. Additionally, we review recent work on how the HLA-B*07-specific p-peptide, pMLL