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.

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.

The prominent role of the CD40 receptor in B cell responses led us to investigate the role of the gp39-CD40 interaction in a group of primary immunodeficient patients with defective antibody production. Here we report that patients with hyper-IgM syndrome (HIM) have a defective gp39-CD40 interaction. B cells from HIM patients express functional CD40, but their T cells do not bind CD40-Ig. These patients expressed normal levels of gp39 mRNA, but these mRNAs encode defective gp39 proteins owing to mutations in the extracellular domain of gp39. Soluble recombinant forms of gp39 containing these mutations were unable to bind CD40 and drive normal B cell proliferation. The gene encoding gp39 was mapped to Xq26, the X chromosome region where the gene responsible for HIM had previously been mapped. These data suggest that a defect in gp39 is the basis of X-linked HIM.

Studies using monoclonal antibodies (mAbs) have implicated the homodimeric glycoprotein CD28 as an important regulator of human T-cell activation, in part by posttranscriptional control of cytokine mRNA levels. Although the CD28 antigen has functional and structural characteristics of a receptor, a natural ligand for this molecule has not been identified. Here we show that the CD28 antigen, expressed in Chinese hamster ovary (CHO) cells, mediated specific intercellular adhesion with human lymphoblastoid and leukemic B-cell lines and with activated primary murine B cells. CD28-mediated adhesion was not dependent upon divalent cations. Several mAbs were identified that inhibited CD28-mediated adhesion, including mAb BB-1 against the B-cell activation antigen B7/BB-1 and some mAbs against major histocompatibility complex class I antigens. B7/BB-1 expression correlated closely with CD28-mediated adhesion, but class I expression did not. Transfected COS cells expressing the B7/BB-1 antigen adhered to CD28+ CHO cells; this adhesion was blocked by mAbs to CD28 and B7/BB-1. The specific recognition by CD28 of the B-cell activation antigen B7/BB-1 represents a heterophilic interaction between members of the immunoglobulin superfamily that may serve to regulate T-cell cytokine levels at sites of B-cell activation.

The specificity of T lymphocyte activation is determined by engagement of the T cell receptor (TCR) by peptide/major histocompatibility complexes expressed on the antigen-presenting cell (APC). Lacking costimulation by accessory molecules on the APC, T cell proliferation does not occur and unresponsiveness to subsequent antigenic stimulus is induced. The B7/BB1 receptor on APCs binds CD28 and CTLA-4 on T cells, and provides a costimulus for T cell proliferation. Here, we show that prolonged, specific T cell hyporesponsiveness to antigenic restimulation is achieved by blocking the interaction between CD28 and B7/BB1 in human mixed leukocyte culture (MLC). Secondary T cell proliferative responses to specific alloantigen were inhibited by addition to the primary culture of monovalent Fab fragments of anti-CD28 monoclonal antibody (mAb) 9.3, which block interaction of CD28 with B7/BB1 without activating T cells. Hypo-responsiveness was also induced in MLC by CTLA4Ig, a chimeric immunoglobulin fusion protein incorporating the extracellular domain of CTLA-4 with high binding avidity for B7/BB1. Cells previously primed could also be made hyporesponsive, if exposed to alloantigen in the presence of CTLA4Ig. Maximal hyporesponsiveness was achieved in MLC after 2 d of incubation with CTLA4Ig, and was maintained for at least 27 d after removal of CTLA4Ig. Accumulation of interleukin 2 (IL-2) and interferon gamma but not IL-4 mRNA was blocked by CTLA4Ig in T cells stimulated by alloantigen. Antigen-specific responses could be restored by addition of exogenous IL-2 at the time of the secondary stimulation. Addition to primary cultures of the intact bivalent anti-CD28 mAb 9.3, or B7/BB1+ transfected CHO cells or exogenous IL-2, abrogated induction of hyporesponsiveness by CTLA4Ig. These data indicate that interaction of CD28 with B7/BB1 during TCR engagement with antigen is required to maintain T cell competence and that blocking such interaction can result in a state of T cell hyporesponsiveness.

Two human B-cell differentiation antigens, Bp35 and Bp50, apparently play distinct roles as signal receptors in B-cell activation. Monoclonal antibodies (mAbs) to either Bp35 or Bp50 deliver positive signals to B cells that stimulate their transition through the cell cycle. mAb to Bp35, like anti-immunoglobulin antibodies, functions principally to activate resting B cells to become competent to enter the G1 phase of the cell cycle. In contrast, mAb to Bp50, a 50-kDa polypeptide expressed on all B cells, functions to stimulate activated B cells to traverse the cell cycle. mAb to Bp35, like anti-immunoglobulin antibodies, activates tonsillar B cells and induces low levels of B-cell proliferation. In contrast, anti-Bp50 mAb alone neither activates B cells nor induces B cells to proliferate but, together with anti-Bp35 or anti-immunoglobulin, augments B-cell proliferation. In this respect the action of anti-Bp50 antibody resembles the activity of B-cell growth factor(s) (BCGF). As little as 0.05 microgram of anti-Bp50 per ml is needed to augment proliferation and, like BCGF, anti-Bp50 is effective even when added 12-24 hr after B cells are activated with anti-immunoglobulin or anti-Bp35. Without additional exogenous signals, anti-Bp35 and anti-Bp50 together induce strong proliferation of purified resting B cells. These results suggest that the Bp35 and Bp50 surface molecules function in the regulatory control of B-cell activation and progression through the cell cycle.