Systemic lupus erythematosus (SLE) is a clinically heterogeneous disease in which the risk of disease is influenced by complex genetic and environmental contributions. Alleles of HLA-DRB1, IRF5, and STAT4 are established susceptibility genes; there is strong evidence for the existence of additional risk loci.

Genome-wide association studies have recently identified at least 15 susceptibility loci for systemic lupus erythematosus (SLE). To confirm additional risk loci, we selected SNPs from 2,466 regions that showed nominal evidence of association to SLE (P < 0.05) in a genome-wide study and genotyped them in an independent sample of 1,963 cases and 4,329 controls. This replication effort identified five new SLE susceptibility loci (P < 5 x 10(-8)): TNIP1 (odds ratio (OR) = 1.27), PRDM1 (OR = 1.20), JAZF1 (OR = 1.20), UHRF1BP1 (OR = 1.17) and IL10 (OR = 1.19). We identified 21 additional candidate loci with P< or = 1 x 10(-5). A candidate screen of alleles previously associated with other autoimmune diseases suggested five loci (P < 1 x 10(-3)) that may contribute to SLE: IFIH1, CFB, CLEC16A, IL12B and SH2B3. These results expand the number of confirmed and candidate SLE susceptibility loci and implicate several key immunologic pathways in SLE pathogenesis.

Abstract Seasonal variations are rarely considered a contributing component to human tissue function or health, although many diseases and physiological process display annual periodicities. Here we find more than 4,000 protein-coding mRNAs in white blood cells and adipose tissue to have seasonal expression profiles, with inverted patterns observed between Europe and Oceania. We also find the cellular composition of blood to vary by season, and these changes, which differ between the United Kingdom and The Gambia, could explain the gene expression periodicity. With regards to tissue function, the immune system has a profound pro-inflammatory transcriptomic profile during European winter, with increased levels of soluble IL-6 receptor and C-reactive protein, risk biomarkers for cardiovascular, psychiatric and autoimmune diseases that have peak incidences in winter. Circannual rhythms thus require further exploration as contributors to various aspects of human physiology and disease.

Lindsey Criswell and colleagues report an association between three independent variants near TNFAIP3 and systemic lupus erythematosus (SLE). In a related study, Patrick Gaffney and colleagues report results of a genome-wide association study for SLE, also identifying variants in the TNFAIP3 region on 6q23 that are strongly associated with the disease. The same region on 6q23 has recently been associated with rheumatoid arthritis, but only a subset of risk alleles in this region seem to be common to both diseases. The TNFAIP3 (tumor necrosis factor alpha–induced protein 3) gene encodes a ubiquitin editing enzyme, A20, that restricts NF-κB–dependent signaling and prevents inflammation. We show that three independent SNPs in the TNFAIP3 region (rs13192841, rs2230926 and rs6922466) are associated with systemic lupus erythematosus (SLE) among individuals of European ancestry. These findings provide critical links between A20 and the etiology of SLE.

Diagnosis of the autoimmune disease type 1 diabetes (T1D) is preceded by the appearance of circulating autoantibodies to pancreatic islets. However, almost nothing is known about events leading to this islet autoimmunity. Previous epidemiological and genetic data have associated viral infections and antiviral type I interferon (IFN) immune response genes with T1D. Here, we first used DNA microarray analysis to identify IFN-β-inducible genes in vitro and then used this set of genes to define an IFN-inducible transcriptional signature in peripheral blood mononuclear cells from a group of active systemic lupus erythematosus patients (n = 25). Using this predefined set of 225 IFN signature genes, we investigated the expression of the signature in cohorts of healthy controls (n = 87), patients with T1D (n = 64), and a large longitudinal birth cohort of children genetically predisposed to T1D (n = 109; 454 microarrayed samples). Expression of the IFN signature was increased in genetically predisposed children before the development of autoantibodies (P = 0.0012) but not in patients with established T1D. Upregulation of IFN-inducible genes was transient, temporally associated with a recent history of upper respiratory tract infections (P = 0.0064), and marked by increased expression of SIGLEC-1 (CD169), a lectin-like receptor expressed on CD14(+) monocytes. DNA variation in IFN-inducible genes altered T1D risk (P = 0.007), as exemplified by IFIH1, one of the genes in our IFN signature for which increased expression is a known risk factor for disease. These findings identify transient increased expression of type I IFN genes in preclinical diabetes as a risk factor for autoimmunity in children with a genetic predisposition to T1D.

Inflammation, which is directly regulated by interleukin-6 (IL-6) signaling, is implicated in the etiology of several chronic diseases. Although a common, non-synonymous variant in the IL-6 receptor gene (IL6R Asp358Ala; rs2228145 A>C) is associated with the risk of several common diseases, with the 358Ala allele conferring protection from coronary heart disease (CHD), rheumatoid arthritis (RA), atrial fibrillation (AF), abdominal aortic aneurysm (AAA), and increased susceptibility to asthma, the variant's effect on IL-6 signaling is not known. Here we provide evidence for the association of this non-synonymous variant with the risk of type 1 diabetes (T1D) in two independent populations and confirm that rs2228145 is the major determinant of the concentration of circulating soluble IL-6R (sIL-6R) levels (34.6% increase in sIL-6R per copy of the minor allele 358Ala; rs2228145 [C]). To further investigate the molecular mechanism of this variant, we analyzed expression of IL-6R in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) in 128 volunteers from the Cambridge BioResource. We demonstrate that, although 358Ala increases transcription of the soluble IL6R isoform (P = 8.3×10−22) and not the membrane-bound isoform, 358Ala reduces surface expression of IL-6R on CD4+ T cells and monocytes (up to 28% reduction per allele; P≤5.6×10−22). Importantly, reduced expression of membrane-bound IL-6R resulted in impaired IL-6 responsiveness, as measured by decreased phosphorylation of the transcription factors STAT3 and STAT1 following stimulation with IL-6 (P≤5.2×10−7). Our findings elucidate the regulation of IL-6 signaling by IL-6R, which is causally relevant to several complex diseases, identify mechanisms for new approaches to target the IL-6/IL-6R axis, and anticipate differences in treatment response to IL-6 therapies based on this common IL6R variant.

Abstract How organisms achieve sustained peripheral tolerance throughout their lifetime, a correct immune discrimination between self and non-self, remains poorly understood. Host-microbiome interactions carry fundamental information that facilitates this process. We hypothesize that commensal microbes are under evolutionary pressure to develop epitopes that, when presented along with other antigens from their own bacterial community, lead to an overall tolerogenic self classification by the host immune system. Hosts, which have co-evolved with commensals, may rely on mimotopes, bacterial epitopes that are indistinguishable from key self epitopes, as a homeostatic feedback mechanism to establish and maintain tolerance. Using a probabilistic sequence model of peptide mimicry, we show that the gut microbiome contains a set of genes that are likely to trigger identical immune responses to insulin B 9–25, a widely distributed self epitope across tissues and the primary autoantigen in type 1 diabetes. Similarities in the antigen receptor sequences determined from CD4 T cells reacting to insulin epitopes and mimotopes provide experimental evidence for mimicry. All predicted high posterior probability mimotopes belong to the transketolase superfamily, an enzyme that allows efficient harvest of commensal-derived sugar polymers and dietary fibre, an advantage during host colonisation. Microbial transketolase upregulation during infant weaning coincides in time with the peak in autoantibody development against insulin. Abundance changes in bacterial genera that carry these mimotopes have also been observed to precede disease diagnosis. Our findings suggest gut dysbiosis followed by immune response to insulin mimotopes as a primary cause of type 1 diabetes, and may contribute towards unraveling similar causal patterns in a wide variety of disorders.

Identification of candidate causal variants in regions associated with risk of common diseases is complicated by linkage disequilibrium (LD) and multiple association signals. Nonetheless, accurate maps of these variants are needed, both to fully exploit detailed cell specific chromatin annotation data to highlight disease causal mechanisms and cells, and for design of the functional studies that will ultimately be required to confirm causal mechanisms. We adapted a Bayesian evolutionary stochastic search algorithm to the fine mapping problem, and demonstrated its improved performance over conventional stepwise and regularised regression through simulation studies. We then applied it to fine map the established multiple sclerosis (MS) and type 1 diabetes (T1D) associations in the IL-2RA (CD25) gene region. For T1D, both stepwise and stochastic search approaches identified four T1D association signals, with the major effect tagged by the single nucleotide polymorphism, rs12722496. In contrast, for MS, the stochastic search found two distinct competing models: a single candidate causal variant, tagged by rs2104286 and reported previously using stepwise analysis; and a more complex model with two association signals, one of which was tagged by the major T1D associated rs12722496 and the other by rs56382813. There is low to moderate LD between rs2104286 and both rs12722496 and rs56382813 (r2 =~ 0.3) and our two SNP model could not be recovered through a forward stepwise search after conditioning on rs2104286. Both signals in the two variant model for MS affect CD25 expression on distinct subpopulations of CD4 + T cells, which are key cells in the autoimmune process. The results support a shared causal variant for T1D and MS. Our study illustrates the benefit of using a purposely designed model search strategy for fine mapping and the advantage of combining disease and protein expression data.

Abstract The transcriptomic and proteomic characterisation of CD4 + T cells at the single-cell level has been performed traditionally by two largely exclusive types of technologies: single cell RNA-sequencing (scRNA-seq) technologies and antibody-based cytometry. Here we demonstrate that the simultaneous targeted quantification of mRNA and protein expression in single-cells provides a high-resolution map of human primary CD4 + T cells, and identified precise trajectories of Th1, Th17 and regulatory T-cell (Treg) differentiation in blood and tissue. Furthermore, the sensitivity provided by this massively-parallel multi-omics approach revealed novel insight into the mechanism of expression of CD80 and CD86 on the surface of activated CD4 + Tregs and demonstrate their potential to identify recently activated T cells in circulation. This transcriptomic and proteomic hybrid technology provides a cost-effective solution to dissect the heterogeneity of immune cell populations, including more precise and detailed descriptions of the differentiation and activation of circulating and tissue-resident cells in response to therapies and in stratification of patients.

Abstract The molecular heterogeneity of autoimmune and inflammatory diseases has been one of the main obstacles to the development of safe and specific therapeutic options. Here we have evaluated the diagnostic and clinical value of a robust, inexpensive, immunoassay detecting the circulating soluble form of the monocyte-specific surface receptor sialic acid binding Ig-like lectin 1 (sSIGLEC-1). We developed an immunoassay to measure sSIGLEC-1 in small volumes of plasma/serum from systemic lupus erythematosus (SLE) patients and healthy donors. Plasma concentrations of sSIGLEC-1 strongly correlated with expression of SIGLEC-1 on the surface of blood monocytes and with type I interferon (IFN)-regulated gene (IRG) expression in SLE patients. In addition, we identified marked ancestry-related differences in sSIGLEC-1 concentrations in SLE patients, with patients of non-European ancestry showing higher levels compared to patients of European ancestry. Higher sSIGLEC-1 concentrations were associated with lower serum complement component 3 and increased frequency of renal complications in European patients, but not with the SLEDAI clinical score. Our sSIGLEC-1 immunoassay provides a specific and easily-assayed marker for monocyte-macrophage activation, and interferonopathy in SLE and other diseases. Further studies can extend its clinical associations and its potential use to stratify patients and as a secondary endpoint in trials.