Regulatory T cells (Tregs) limit autoimmunity but also attenuate the magnitude of antipathogen and antitumor immunity. Understanding the mechanism of Treg function and therapeutic manipulation of Tregs in vivo requires identification of Treg-selective receptors. A comparative analysis of gene expression arrays from antigen-specific CD4+ T cells differentiating to either an effector/memory or a regulatory phenotype revealed Treg-selective expression of LAG-3, a CD4-related molecule that binds MHC class II. Antibodies to LAG-3 inhibit suppression by induced Tregs both in vitro and in vivo. Natural CD4+CD25+ Tregs express LAG-3 upon activation, which is significantly enhanced in the presence of effector cells, whereas CD4+CD25+ Tregs from LAG-3−/− mice exhibit reduced regulatory activity. Lastly, ectopic expression of LAG-3 on CD4+ T cells significantly reduces their proliferative capacity and confers on them suppressor activity toward effector T cells. We propose that LAG-3 marks regulatory T cell populations and contributes to their suppressor activity.

Contemporary approaches for vaccination and immunotherapy are often capable of eliciting strong T-cell responses against tumor antigens. However, such responses are not parallel to clinical tumor regression. The development of evasion mechanisms within tumor microenvironment may be responsible for poor therapeutic responses. We report here that constitutive or inducible expression of B7-H1, a B7 family molecule widely expressed by cancers, confers resistance to therapeutic anti-CD137 antibody in mice with established tumors. The resistance is accompanied with failure of antigen-specific CD8+ CTLs to destroy tumor cells without impairment of CTL function. Blockade of B7-H1 or PD-1 by specific monoclonal antibodies could reverse this resistance and profoundly enhance therapeutic efficacy. Our findings support that B7-H1/PD-1 forms a molecular shield to prevent destruction by CTLs and implicate new approaches for immunotherapy of human cancers.

We identify a B7 family molecule, B7-H4, by protein sequence analysis and comparative molecular modeling. While B7-H4 mRNA is widely distributed in mouse and human peripheral tissues, cell surface expression of B7-H4 protein is limited and shows an inducible pattern on hematopoietic cells. Putative receptor of B7-H4 can be upregulated on activated T cells. By arresting cell cycle, B7-H4 ligation of T cells has a profound inhibitory effect on the growth, cytokine secretion, and development of cytotoxicity. Administration of B7-H4Ig into mice impairs antigen-specific T cell responses whereas blockade of endogenous B7-H4 by specific monoclonal antibody promotes T cell responses. B7-H4 thus may participate in negative regulation of cell-mediated immunity in peripheral tissues.

Overexpression of the B7-H1 (PD-L1) molecule in the tumor microenvironment (TME) is a major immune evasion mechanism in some patients with cancer, and antibody blockade of the B7-H1/PD-1 interaction can normalize compromised immunity without excessive side-effects. Using a genome-scale T cell activity array, we identified Siglec-15 as a critical immune suppressor. While only expressed on some myeloid cells normally, Siglec-15 is broadly upregulated on human cancer cells and tumor-infiltrating myeloid cells, and its expression is mutually exclusive to B7-H1, partially due to its induction by macrophage colony-stimulating factor and downregulation by IFN-γ. We demonstrate that Siglec-15 suppresses antigen-specific T cell responses in vitro and in vivo. Genetic ablation or antibody blockade of Siglec-15 amplifies anti-tumor immunity in the TME and inhibits tumor growth in some mouse models. Taken together, our results support Siglec-15 as a potential target for normalization cancer immunotherapy. Blockade of sialic acid-binding protein Siglec-15 expressed in cancer and tumor-infiltrating myeloid cells reverses immunesupression and represents a novel target for cancer immunotherapy independent from the PD-1/PD-L1 axis.

Upon systemic activation by antigens, CD8+, but not CD4+, T cells selectively accumulate and undergo apoptosis in the liver, a mechanism associated with the induction of hepatic tolerance and chronic infection. The molecular basis for CD8+ T cell preference in this process is unknown. We prepared B7-H1-deficient mice by gene targeting and found spontaneous accumulation of CD8+ T cells in the liver while CD4+ T cell levels remained normal. Moreover, antigen-driven CD8+ T cells proliferated normally while apoptotic levels during the contraction phase was selectively impaired in the liver, leading to accelerated hepatocyte damage in experimental autoimmune hepatitis. Therefore, B7-H1 is a key protein selectively regulating the accumulation and deletion of intrahepatic CD8+ T cells and may also contribute to inflammation, autoimmune diseases, and tolerance in the liver. Upon systemic activation by antigens, CD8+, but not CD4+, T cells selectively accumulate and undergo apoptosis in the liver, a mechanism associated with the induction of hepatic tolerance and chronic infection. The molecular basis for CD8+ T cell preference in this process is unknown. We prepared B7-H1-deficient mice by gene targeting and found spontaneous accumulation of CD8+ T cells in the liver while CD4+ T cell levels remained normal. Moreover, antigen-driven CD8+ T cells proliferated normally while apoptotic levels during the contraction phase was selectively impaired in the liver, leading to accelerated hepatocyte damage in experimental autoimmune hepatitis. Therefore, B7-H1 is a key protein selectively regulating the accumulation and deletion of intrahepatic CD8+ T cells and may also contribute to inflammation, autoimmune diseases, and tolerance in the liver.

Immune checkpoint blockade has shown significant therapeutic efficacy in melanoma and other solid tumors, but results in ovarian cancer have been limited. With evidence that tumor immunogenicity modulates the response to checkpoint blockade, and data indicating that BRCA-deficient ovarian cancers express higher levels of immune response genes, we hypothesized that BRCA(-) ovarian tumors would be vulnerable to checkpoint blockade. To test this hypothesis, we used an immunocompetent BRCA1-deficient murine ovarian cancer model to compare treatment with CTLA-4 or PD-1/PD-L1 antibodies alone or combined with targeted cytotoxic therapy using a PARP inhibitor. Correlative studies were performed in vitro using human BRCA1(-) cells. We found that CTLA-4 antibody, but not PD-1/PD-L1 blockade, synergized therapeutically with the PARP inhibitor, resulting in immune-mediated tumor clearance and long-term survival in a majority of animals (P < 0.0001). The survival benefit of this combination was T-cell mediated and dependent on increases in local IFNγ production in the peritoneal tumor environment. Evidence of protective immune memory was observed more than 60 days after completion of therapy. Similar increases in the cytotoxic effect of PARP inhibition in the presence of elevated levels of IFNγ in human BRCA1(-) cancer cells support the translational potential of this treatment protocol. These results demonstrate that CTLA-4 blockade combined with PARP inhibition induces protective antitumor immunity and significant survival benefit in the BRCA1(-) tumor model, and support clinical testing of this regimen to improve outcomes for women with hereditary ovarian cancer.

T cell activation is regulated by the interactions of surface receptors with stimulatory and inhibitory ligands. Programmed death-1 homolog (PD-1H, also called VISTA) is a member of the CD28 family of proteins and has been shown to act as a coinhibitory ligand on APCs that suppress T cell responses. Here, we determined that PD-1H functions as a coinhibitory receptor for CD4⁺ T cells. CD4⁺ T cells in mice lacking PD-1H exhibited a dramatically increased response to antigen stimulation. Furthermore, delivery of a PD-1H-specific agonist mAb directly inhibited CD4⁺ T cell activation both in vitro and in vivo, validating a coinhibitory function of PD-1H. In a murine model of acute hepatitis, administration of a PD-1H agonist mAb suppressed CD4⁺ T cell-mediated acute inflammation. PD-1H-deficient animals were highly resistant to tumor induction in a murine brain glioma model, and depletion of CD4⁺ T cells, but not CD8⁺ T cells, promoted tumor formation. Together, our findings suggest that PD-1H has potential as a target of immune modulation in the treatment of human inflammation and malignancies.

Abstract Upon interaction with B7 homolog 1, programmed death-1 (PD-1) transmits a critical coinhibitory signal to T cells to negatively regulate immune responses. By extensively searching the genomic database with the IgV region of PD-1, we identified a homolog and named it PD-1 homolog (PD-1H). PD-1H is broadly expressed on the cell surface of hematopoietic cells and could be further upregulated on CD4+ and CD8+ T cells following activation. We have generated an mAb against PD-1H, which strikingly prevents acute graft-versus-host disease in semi- and fully allogeneic murine models, leading to full chimerism following treatment. Graft-versus-host disease remains a primary hindrance to successful allogeneic hematopoietic cell transplantation therapy for the treatment of hematologic malignancy. Therefore, manipulation of PD-1H function may provide a new modality for controlling T cell responses to allogeneic tissues in transplant medicine.