A common metabolic alteration in the tumor microenvironment (TME) is lipid accumulation, a feature associated with immune dysfunction. Here, we examined how CD8+ tumor infiltrating lymphocytes (TILs) respond to lipids within the TME. We found elevated concentrations of several classes of lipids in the TME and accumulation of these in CD8+ TILs. Lipid accumulation was associated with increased expression of CD36, a scavenger receptor for oxidized lipids, on CD8+ TILs, which also correlated with progressive T cell dysfunction. Cd36-/- T cells retained effector functions in the TME, as compared to WT counterparts. Mechanistically, CD36 promoted uptake of oxidized low-density lipoproteins (OxLDL) into T cells, and this induced lipid peroxidation and downstream activation of p38 kinase. Inhibition of p38 restored effector T cell functions in vitro, and resolution of lipid peroxidation by overexpression of glutathione peroxidase 4 restored functionalities in CD8+ TILs in vivo. Thus, an oxidized lipid-CD36 axis promotes intratumoral CD8+ T cell dysfunction and serves as a therapeutic avenue for immunotherapies.

Immunotherapy has revolutionized cancer treatment, yet most patients do not respond. Here, we investigated mechanisms of response by profiling the proteome of clinical samples from advanced stage melanoma patients undergoing either tumor infiltrating lymphocyte (TIL)-based or anti- programmed death 1 (PD1) immunotherapy. Using high-resolution mass spectrometry, we quantified over 10,300 proteins in total and ∼4,500 proteins across most samples in each dataset. Statistical analyses revealed higher oxidative phosphorylation and lipid metabolism in responders than in non-responders in both treatments. To elucidate the effects of the metabolic state on the immune response, we examined melanoma cells upon metabolic perturbations or CRISPR-Cas9 knockouts. These experiments indicated lipid metabolism as a regulatory mechanism that increases melanoma immunogenicity by elevating antigen presentation, thereby increasing sensitivity to T cell mediated killing both in vitro and in vivo. Altogether, our proteomic analyses revealed association between the melanoma metabolic state and the response to immunotherapy, which can be the basis for future improvement of therapeutic response.

Abstract The same types of cells can assume diverse states with varying functionalities. Effective cell therapy can be achieved by specifically driving a desirable cell state, which requires the elucidation of key transcription factors (TFs). Here, we integrated epigenomic and transcriptomic data at the systems level to identify TFs that define different CD8 + T cell states in an unbiased manner. These TF profiles can be used for cell state programming that aims to maximize the therapeutic potential of T cells. For example, T cells can be programmed to avoid a terminal exhaustion state (Tex Term ), a dysfunctional T cell state that is often found in tumors or chronic infections. However, Tex Term exhibits high similarity with the beneficial tissue-resident memory T states (T RM ) in terms of their locations and transcription profiles. Our bioinformatic analysis predicted Zscan20 , a novel TF, to be uniquely active in Tex Term . Consistently, Zscan20 knock-out thwarted the differentiation of Tex Term in vivo , but not that of T RM . Furthermore, perturbation of Zscan20 programs T cells into an effector-like state that confers superior tumor and virus control and synergizes with immune checkpoint therapy. We also identified Jdp2 and Nfil3 as powerful Tex Term drivers. In short, our multiomics-based approach discovered novel TFs that enhance anti-tumor immunity, and enable highly effective cell state programming. One sentence summary Multiomics atlas enables the systematic identification of cell-state specifying transcription factors for therapeutic cell state programming.

Summary The limited efficacy of immunotherapies against glioblastoma illustrates the urgent need to better understand the interactions between the central nervous system and the immune system. Here, we showed that a protective response to αCTLA-4 therapy depended on a mutualistic relationship between microglia and CD4 + T cells. Suppression of gliomas by CD4 + T cells did not require tumor-intrinsic MHC-II expression, but rather was dependent on the selective expression of MHC-II and antigen presentation by local microglia that in turn, sustained CD4 + T cell tumoricidal effector functions. CD4 + T cell secretion of IFNγ made the glioma cells vulnerable to enhanced tumor surveillance and phagocytosis by microglia via the AXL/MER tyrosine kinase receptors that were necessary for tumor suppression. This work illustrates a novel partnership between CD4 + T cells and microglia that unleashes the tumoricidal properties of microglia that can be harnessed to improve immunotherapies for glioblastoma.

Summary T cell metabolic fitness plays a pivotal role in anti-tumor immunity and metabolic deregulation causes T cell dysfunction (i.e., ‘exhaustion’) in cancer. We identify that the scavenger receptor CD36 limits anti-tumor CD8 + T cell effector functions through lipid peroxidation. In murine tumors, oxidized phospholipids (OxPLs) were highly abundant and CD8 + TILs increased uptake and accumulation of lipids and lipid peroxidation. Functionally ‘exhausted’ CD8 + TILs substantially increased CD36 expression and CD36-deficient CD8 + TILs had more robust anti-tumor activity and cytokine production than wild-type cells. We further show that CD36 promotes uptake of oxidized low-density lipoproteins (OxLDL) and induces lipid peroxidation in CD8 + TILs, and OxLDL inhibits CD8 + T cell functions in a CD36-dependent manner. Moreover, glutathione peroxidase 4 (GPX4) over-expression lowers lipid peroxidation and restores functionalities in CD8 + TILs. These results define a key role for an oxidized lipid-CD36 axis in promoting intratumoral CD8 + T cell dysfunction.