Functional interactions between T and B lymphocytes are necessary for optimal activation of an immune response. Recently, the T lymphocyte receptor CD28 was shown to bind the B7 counter-receptor on activated B lymphocytes, and subsequently to costimulate interleukin 2 production and T cell proliferation. CTLA-4 is a predicted membrane receptor from cytotoxic T cells that is homologous to CD28 and whose gene maps to the same chromosomal band as the gene for CD28. It is not known, however, if CD28 and CTLA-4 also share functional properties. To investigate functional properties of CTLA-4, we have produced a soluble genetic fusion between the extracellular domain of CTLA-4 and an immunoglobulin C gamma chain. Here, we show that the fusion protein encoded by this construct, CTLA4Ig, bound specifically to B7-transfected Chinese hamster ovary cells and to lymphoblastoid cells. CTLA4Ig also immunoprecipitated B7 from cell surface 125I-labeled extracts of these cells. The avidity of 125I-labeled B7Ig fusion protein for immobilized CTLA4Ig was estimated (Kd approximately 12 nM). Finally, we show that CTLA4Ig was a potent inhibitor of in vitro immune responses dependent upon cellular interactions between T and B lymphocytes. These findings provide direct evidence that, like its structural homologue CD28, CTLA-4 is able to bind the B7 counter-receptor on activated B cells. Lymphocyte interactions involving the B7 counter-receptor are functionally important for alloantigen responses in vitro.

Antigen-specific T cell activation depends on T cell receptor-ligand interaction and costimulatory signals generated when accessory molecules bind to their ligands, such as CD28 to the B7 (also called BB1) molecule. A soluble fusion protein of human CTLA-4 (a protein homologous to CD28) and the immunoglobulin (Ig) G1 Fc region (CTLA4Ig) binds to human and murine B7 with high avidity and blocks T cell activation in vitro. CTLA4Ig therapy blocked human pancreatic islet rejection in mice by directly affecting T cell recognition of B7 + antigen-presenting cells. In addition, CTLA4Ig induced long-term, donor-specific tolerance, which may have applications to human organ transplantation.

A successful immune response requires intercellular contact between T and B lymphocytes. We recently showed that CD28, a T cell surface protein that regulates an activation pathway, could mediate intercellular adhesion with activated B cells by interaction with the B7 antigen. Here we show that CD28 is the primary receptor for B7 on activated peripheral blood T cells, that CD28 binds to B7 in the absence of other accessory molecules, and that interaction between CD28 and B7 is costimulatory for T cell activation. To characterize the binding of CD28 to B7, we have produced genetic fusions of the extracellular portions of B7 and CD28, and immunoglobulin (Ig) C gamma 1 chains. 125I-labeled B7 Ig bound to CD28-transfected Chinese hamster ovary (CHO) cells, and to immobilized CD28 Ig with a Kd approximately 200 nM. B7 Ig also inhibited CD28-mediated cellular adhesion. The function of CD28-B7 interactions during T cell activation was investigated with soluble fusion proteins and with B7-transfected CHO cells. Immobilized B7 Ig and B7+ CHO cells costimulated T cell proliferation. Stimulation of T cells with B7+ CHO cells also specifically increased levels of interleukin 2 transcripts. These results demonstrate that the CD28 signaling pathway could be activated by B7, resulting in increased T cell cytokine production and T cell proliferation. Cellular interactions mediated by B7 and CD28 may represent an important component of the functional interactions between T and B lymphoid cells.

Interaction of the B7 molecule on antigen-presenting cells with its receptors CD28 and CTLA-4 on T cells provides costimulatory signals for T cell activation. We have studied the effects of B7 on antitumor immunity to a murine melanoma that expresses a rejection antigen associated with the E7 gene product of human papillomavirus 16. While this E7+ tumor grows progressively in immunocompetent hosts, cotransfection of its cells with B7 led to tumor regression by a B7-dependent immune response mediated by CD8+ cytolytic T lymphocytes. The immune response induced by E7+B7+ tumor cells also caused regression of E7+B7- tumors at distant sites and was curative for established E7+B7- micrometastases. Our findings suggest that increasing T cell costimulation through the CD28 and CTLA-4 receptors may have therapeutic usefulness for generating immunity against tumors expressing viral antigens.

B7-0 or B7-2 (CD86) is a T cell costimulatory molecule that binds the same receptors (CD28 and CTLA-4) as B7-1 (CD80), but shares with it only approximately 25% sequence identity and is expressed earlier during an immune response. Here we show that human CD86 maintains similar (within approximately 2- to 3-fold) overall receptor binding and T cell costimulatory properties as CD80. However, CD80 and CD86 did not bind equivalently to CTLA-4: CD80 bound Y100A, a form of CTLA4lg with a mutation in the CDR3-like region, > 200-fold better than did CD86; inhibition of CD80-mediated cellular responses required approximately 100-fold lower CTLA4lg concentrations; and CD80-CTLA4lg complexes dissociated 5- to 8-fold more slowly, Thus, CD80 and CD86 utilize different binding determinants and have different kinetics of binding to CD28 and CTLA-4.

Organ graft rejection is a T-cell-dependent process. The activation of alloreactive T cells requires stimulation of the T-cell receptor/CD3 complex by foreign major histocompatibility complex (MHC)-encoded gene products. However, accumulating evidence suggests that, in addition to T-cell receptor occupancy, other costimulatory signals are required to induce T-cell activation. Previously, the CD28 receptor expressed on T cells has been shown to serve as a surface component of a signal transduction pathway that can provide costimulation. In vitro, interaction of CD28 with its natural ligand B7 expressed on the surface of activated B cells or macrophages can act as a costimulus to induce proliferation and lymphokine production in antigen receptor-activated T cells. We now report evidence that stimulation of T cells by the CD28 ligand B7 is a required costimulatory event for the rejection of a MHC-incompatible cardiac allograft in vivo. These results demonstrate that the B7/CD28 activation pathway plays an important role in regulating in vivo T-cell responses.