Cancer immunotherapy restores or enhances the effector function of CD8+ T cells in the tumour microenvironment1,2. CD8+ T cells activated by cancer immunotherapy clear tumours mainly by inducing cell death through perforin–granzyme and Fas–Fas ligand pathways3,4. Ferroptosis is a form of cell death that differs from apoptosis and results from iron-dependent accumulation of lipid peroxide5,6. Although it has been investigated in vitro7,8, there is emerging evidence that ferroptosis might be implicated in a variety of pathological scenarios9,10. It is unclear whether, and how, ferroptosis is involved in T cell immunity and cancer immunotherapy. Here we show that immunotherapy-activated CD8+ T cells enhance ferroptosis-specific lipid peroxidation in tumour cells, and that increased ferroptosis contributes to the anti-tumour efficacy of immunotherapy. Mechanistically, interferon gamma (IFNγ) released from CD8+ T cells downregulates the expression of SLC3A2 and SLC7A11, two subunits of the glutamate–cystine antiporter system xc−, impairs the uptake of cystine by tumour cells, and as a consequence, promotes tumour cell lipid peroxidation and ferroptosis. In mouse models, depletion of cystine or cysteine by cyst(e)inase (an engineered enzyme that degrades both cystine and cysteine) in combination with checkpoint blockade synergistically enhanced T cell-mediated anti-tumour immunity and induced ferroptosis in tumour cells. Expression of system xc− was negatively associated, in cancer patients, with CD8+ T cell signature, IFNγ expression, and patient outcome. Analyses of human transcriptomes before and during nivolumab therapy revealed that clinical benefits correlate with reduced expression of SLC3A2 and increased IFNγ and CD8. Thus, T cell-promoted tumour ferroptosis is an anti-tumour mechanism, and targeting this pathway in combination with checkpoint blockade is a potential therapeutic approach. Interferon-γ induces ferroptotic cell death in tumours by suppressing cystine uptake and promoting lipid peroxidation.

We report a virus-based scaffold for the synthesis of single-crystal ZnS, CdS, and freestanding chemically ordered CoPt and FePt nanowires, with the means of modifying substrate specificity through standard biological methods. Peptides (selected through an evolutionary screening process) that exhibit control of composition, size, and phase during nanoparticle nucleation have been expressed on the highly ordered filamentous capsid of the M13 bacteriophage. The incorporation of specific, nucleating peptides into the generic scaffold of the M13 coat structure provides a viable template for the directed synthesis of semiconducting and magnetic materials. Removal of the viral template by means of annealing promoted oriented aggregation-based crystal growth, forming individual crystalline nanowires. The unique ability to interchange substrate-specific peptides into the linear self-assembled filamentous construct of the M13 virus introduces a material tunability that has not been seen in previous synthetic routes. Therefore, this system provides a genetic toolkit for growing and organizing nanowires from semiconducting and magnetic materials.

Ferroptotic cell death and cancer Cell death can occur through different mechanisms, several of which are being explored as potential targets for cancer treatment. One form of cell death that has attracted recent interest is ferroptosis, which is triggered by high intracellular levels of lipid reactive oxygen species. Pancreatic cancer cells have high levels of reactive oxygen species but manage to avoid ferroptosis by importing extracellular cysteine. Studying mice bearing pancreatic tumors, Badgley et al. found that administration of a drug inhibiting cysteine import induced tumor-selective ferroptosis and inhibited tumor growth. Further work will be required to determine whether this therapeutic strategy will be effective in human pancreatic cancer, a tumor type for which new treatments are urgently needed. Science , this issue p. 85

Abstract A challenge in oncology is to rationally and effectively integrate immunotherapy with traditional modalities, including radiotherapy. Here, we demonstrate that radiotherapy induces tumor-cell ferroptosis. Ferroptosis agonists augment and ferroptosis antagonists limit radiotherapy efficacy in tumor models. Immunotherapy sensitizes tumors to radiotherapy by promoting tumor-cell ferroptosis. Mechanistically, IFNγ derived from immunotherapy-activated CD8+ T cells and radiotherapy-activated ATM independently, yet synergistically, suppresses SLC7A11, a unit of the glutamate–cystine antiporter xc−, resulting in reduced cystine uptake, enhanced tumor lipid oxidation and ferroptosis, and improved tumor control. Thus, ferroptosis is an unappreciated mechanism and focus for the development of effective combinatorial cancer therapy. Significance: This article describes ferroptosis as a previously unappreciated mechanism of action for radiotherapy. Further, it shows that ferroptosis is a novel point of synergy between immunotherapy and radiotherapy. Finally, it nominates SLC7A11, a critical regulator of ferroptosis, as a mechanistic determinant of synergy between radiotherapy and immunotherapy. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1631

Antibodies capable of neutralizing HIV-1 often target variable regions 1 and 2 (V1V2) of the HIV-1 envelope, but the mechanism of their elicitation has been unclear. Here we define the developmental pathway by which such antibodies are generated and acquire the requisite molecular characteristics for neutralization. Twelve somatically related neutralizing antibodies (CAP256-VRC26.01–12) were isolated from donor CAP256 (from the Centre for the AIDS Programme of Research in South Africa (CAPRISA)); each antibody contained the protruding tyrosine-sulphated, anionic antigen-binding loop (complementarity-determining region (CDR) H3) characteristic of this category of antibodies. Their unmutated ancestor emerged between weeks 30–38 post-infection with a 35-residue CDR H3, and neutralized the virus that superinfected this individual 15 weeks after initial infection. Improved neutralization breadth and potency occurred by week 59 with modest affinity maturation, and was preceded by extensive diversification of the virus population. HIV-1 V1V2-directed neutralizing antibodies can thus develop relatively rapidly through initial selection of B cells with a long CDR H3, and limited subsequent somatic hypermutation. These data provide important insights relevant to HIV-1 vaccine development. A longitudinal study of an individual patient developing neutralizing antibodies against HIV-1 (targeting the V1V2 region of gp120) reveals how such neutralizing antibodies develop and evolve over time, providing important insights relevant to vaccine development. A better understanding of how HIV-1-neutralizing antibodies are generated could be a useful contribution to the design of improved AIDS vaccines. John Mascola and colleagues have now elucidated the immunological pathway of an important category of HIV-1-neutralizing antibody — those that target the variable V1V2 region of the viral envelope. These antibodies are more frequently elicited than CD4-binding site antibodies in the early stages of HIV infection and feature modest affinity maturation, a process that favours mutations in antibody variable domains that enhance antigen binding.

Under physiological conditions, the Escherichia coli cytoplasm is maintained in a reduced state that strongly disfavors the formation of stable disulfide bonds in proteins. However, mutants in which the reduction of both thioredoxins and glutathione is impaired ( trxB gor mutants) accumulate oxidized, enzymatically active alkaline phosphatase in the cytoplasm. These mutants grow very poorly in the absence of an exogenous reductant and accumulate extragenic suppressors at a high frequency. One such suppressor strain, FA113, grows almost as rapidly as the wild type in the absence of reductant, exhibits slightly faster kinetics of disulfide bond formation, and has fully induced activity of the transcriptional activator, OxyR. FA113 gave substantially higher yields of properly oxidized proteins compared with wild-type or trxB mutant strains. For polypeptides with very complex patterns of disulfide bonds, such as vtPA and the full-length tPA, the amount of active protein was further enhanced up to 15-fold by co-expression of TrxA (thioredoxin 1) mutants with different redox potentials, or 20-fold by the protein disulfide isomerase, DsbC. Remarkably, higher yields of oxidized, biologically active proteins were obtained by expression in the cytoplasm of E. coli FA113 compared with what could be achieved via secretion into the periplasm of a wild-type strain, even under optimized conditions. These results demonstrate that the cytoplasm can be rendered sufficiently oxidizing to allow efficient formation of native disulfide bonds without compromising cell viability.

The highly organized structure of M13 bacteriophage was used as an evolved biological template for the nucleation and orientation of semiconductor nanowires. To create this organized template, peptides were selected by using a pIII phage display library for their ability to nucleate ZnS or CdS nanocrystals. The successful peptides were expressed as pVIII fusion proteins into the crystalline capsid of the virus. The engineered viruses were exposed to semiconductor precursor solutions, and the resultant nanocrystals that were templated along the viruses to form nanowires were extensively characterized by using high-resolution analytical electron microscopy and photoluminescence. ZnS nanocrystals were well crystallized on the viral capsid in a hexagonal wurtzite or a cubic zinc blende structure, depending on the peptide expressed on the viral capsid. Electron diffraction patterns showed single-crystal type behavior from a polynanocrystalline area of the nanowire formed, suggesting that the nanocrystals on the virus were preferentially oriented with their [001] perpendicular to the viral surface. Peptides that specifically directed CdS nanocrystal growth were also engineered into the viral capsid to create wurtzite CdS virus-based nanowires. Lastly, heterostructured nucleation was achieved with a dual-peptide virus engineered to express two distinct peptides within the same viral capsid. This work represents a genetically controlled biological synthesis route to a semiconductor nanoscale heterostructure.

Semiconductor nanocrystals, which have unique optical and electronic properties, have potential for applications in the emerging field of nanoelectronics. To produce nanocrystals cheaply and efficiently, biological methods of synthesis are being explored. We found that E. coli, when incubated with cadmium chloride and sodium sulfide, have the capacity to synthesize intracellular cadmium sulfide (CdS) nanocrystals. The nanocrystals are composed of a wurtzite crystal phase with a size distribution of 2–5 nm. Nanocrystal biosynthesis increased about 20-fold in E. coli cells grown to stationary phase compared to late logarithmic phase. Our results highlight how different genetic and physiological parameters can enhance the formation of nanocrystals within bacterial cells.

By reducing the availability of extracellular L-cyst(e)ine, an engineered enzyme inhibits glutathione production and cripples antioxidant defenses of tumors in a variety of mouse models. Cancer cells experience higher oxidative stress from reactive oxygen species (ROS) than do non-malignant cells because of genetic alterations and abnormal growth; as a result, maintenance of the antioxidant glutathione (GSH) is essential for their survival and proliferation1,2,3. Under conditions of elevated ROS, endogenous L-cysteine (L-Cys) production is insufficient for GSH synthesis. This necessitates uptake of L-Cys that is predominantly in its disulfide form, L-cystine (CSSC), via the xCT(−) transporter. We show that administration of an engineered and pharmacologically optimized human cyst(e)inase enzyme mediates sustained depletion of the extracellular L-Cys and CSSC pool in mice and non-human primates. Treatment with this enzyme selectively causes cell cycle arrest and death in cancer cells due to depletion of intracellular GSH and ensuing elevated ROS; yet this treatment results in no apparent toxicities in mice even after months of continuous treatment. Cyst(e)inase suppressed the growth of prostate carcinoma allografts, reduced tumor growth in both prostate and breast cancer xenografts and doubled the median survival time of TCL1-Tg:p53−/− mice, which develop disease resembling human chronic lymphocytic leukemia. It was observed that enzyme-mediated depletion of the serum L-Cys and CSSC pool suppresses the growth of multiple tumors, yet is very well tolerated for prolonged periods, suggesting that cyst(e)inase represents a safe and effective therapeutic modality for inactivating antioxidant cellular responses in a wide range of malignancies4,5.

Bacterial infection of biomaterial surfaces is an important problem in the biomedical and health industries. The design of materials resistant to infections necessitates an understanding of the forces driving bacterial adhesion. Escherichia coli cells were immobilized onto the tip of a standard atomic force microscope (AFM) cantilever, and force measurements were performed by approaching the modified cantilever onto mica, hydrophilic glass, hydrophobic glass, polystyrene, and Teflon. Consistent with prior qualitative observations, we show that bacterial adhesion is indeed enhanced by the surface hydrophobicity of the substrate. The forces of interaction measured with the AFM are compared to those of model predictions based on an extended-DLVO approach. In this model, short-range acid−base and steric interactions are included with the conventional van der Waals attraction and electrostatic components. The theoretical predictions agree well with experimental data for E. coli D21f2, a strain whose outer surface consists of lipopolysaccharide molecules with severely truncated carbohydrate chains. However, the adhesive behavior of E. coli strains with more complex cell surface structures was found to be more difficult to model because of the possible involvement of steric and bridging effects or specific receptor−ligand interactions that remain to be resolved.