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.

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.

T cell costimulation by molecules on the antigen presenting cell (APC) is required for optimal T cell proliferation. The B7 molecule on APC binds the T lymphocyte receptor CD28, triggering increased interleukin 2 (IL-2) production and subsequent T cell proliferation. CTLA-4 is a predicted T cell membrane receptor homologous to CD28, which also binds the B7 counter receptor, but whose distribution and function are unknown. Here we have developed monoclonal antibodies (mAbs) specific for CTLA-4 and have investigated these questions. mAbs were produced that bound CTLA-4 but not CD28, and that blocked binding of CTLA-4 to B7. CTLA-4 expression as measured by these mAbs was virtually undetectable on resting T cells, but was increased several hundred-fold during T cell activation. On activated lymphocytes, CTLA-4 was expressed equally on CD4+ and CD8+ T cell subsets and was coexpressed with CD25, CD28, and CD45RO. CTLA-4 expression was lower than that of CD28, reaching a maximum of approximately 1/30-50 the level of CD28. Despite its lower expression, CTLA-4 was responsible for much of the B7 binding by large activated T cells. Anti-CTLA-4 mAb 11D4 and anti-CD28 mAb 9.3 acted cooperatively to inhibit T cell adhesion to B7, and to block T cell proliferation in primary mixed lymphocyte culture. When coimmobilized with anti T cell receptor (TCR) mAb, anti-CTLA-4 mAbs were less effective than anti-CD28 mAb 9.3 at costimulating proliferation of resting or activated T cells. However, coimmobilized combinations of anti-CD28 and anti-CTLA-4 were synergistic in their ability to augment anti-TCR-induced proliferation of preactivated CD4+ T cells. These results indicate that CTLA-4 is coexpressed with CD28 on activated T lymphocytes and cooperatively regulates T cell adhesion and activation by B7.

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.