Infection triggers expansion and effector differentiation of T cells specific for microbial antigens in association with metabolic reprograming. We found that the glycolytic enzyme lactate dehydrogenase A (LDHA) is induced in CD8+ T effector cells through phosphoinositide 3-kinase (PI3K) signaling. In turn, ablation of LDHA inhibits PI3K-dependent phosphorylation of Akt and its transcription factor target Foxo1, causing defective antimicrobial immunity. LDHA deficiency cripples cellular redox control and diminishes adenosine triphosphate (ATP) production in effector T cells, resulting in attenuated PI3K signaling. Thus, nutrient metabolism and growth factor signaling are highly integrated processes, with glycolytic ATP serving as a rheostat to gauge PI3K-Akt-Foxo1 signaling in the control of T cell immunity. Such a bioenergetic mechanism for the regulation of signaling may explain the Warburg effect.

Phagocytosis is an intensely physical process that depends on the mechanical properties of both the phagocytic cell and its chosen target. Here, we employed differentially deformable hydrogel microparticles to examine the role of cargo rigidity in the regulation of phagocytosis by macrophages. Whereas stiff cargos elicited canonical phagocytic cup formation and rapid engulfment, soft cargos induced an architecturally distinct response, characterized by filamentous actin protrusions at the center of the contact site, slower cup advancement, and frequent phagocytic stalling. Using phosphoproteomics, we identified β 2 integrins and their downstream effectors as critical mediators of this mechanically regulated phagocytic switch. Indeed, comparison of wild type and β 2 integrin deficient macrophages indicated that integrin signaling acts as a mechanical checkpoint by shaping filamentous actin to enable distinct phagocytic engulfment strategies. Collectively, these results illuminate the molecular logic of leukocyte mechanosensing and reveal potential avenues for modulating phagocyte function in immunotherapeutic contexts.

Infection triggers clonal expansion and effector differentiation of microbial antigen-specific T cells in association with metabolic reprograming. Here, we show that the glycolytic enzyme lactate dehydrogenase A (LDHA) is induced in CD8+ T effector cells via phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-dependent mechanisms. In turn, ablation of LDHA inhibits PI3K-dependent phosphorylation of Akt and its transcription factor target Foxo1, causing defective antimicrobial immunity. LDHA deficiency cripples cellular redox control and diminishes glycolytic adenosine triphosphate (ATP) production in effector T cells, resulting in attenuated PI3K signaling. Thus, nutrient metabolism and growth factor signaling are highly integrated processes with glycolytic ATP serving as a rheostat to gauge PI3K/Akt/Foxo1 signaling in T cell immunity control. Such a bioenergetics mechanism of signaling regulation implies a root cause for the century-old phenomenon of Warburg effect, and could guide development of novel therapeutics for infectious diseases and cancer.

Abstract The phagocytic clearance of dying cells, termed efferocytosis, is essential for both tissue homeostasis and tissue health during cell death-inducing treatments. Failure to efficiently clear dying cells augments the risk of pathological inflammation and has been linked to a myriad of autoimmune and inflammatory diseases. Although past studies have elucidated local molecular signals that regulate efferocytosis in a tissue, whether signals arising distally also regulate efferocytosis remains elusive. Interestingly, clinical evidence suggests that prolonged use of antibiotics is associated with an increased risk of autoimmune or inflammatory disease development. We therefore hypothesized that intestinal microbes produce molecular signals that regulate efferocytotic ability in peripheral tissue phagocytes. Here, we find that macrophages, the body’s professional phagocyte, display impaired efferocytosis in peripheral tissues in both antibiotic-treated and germ-free mice in vivo , which could be rescued by fecal microbiota transplantation. Mechanistically, the microbiota-derived short-chain fatty acid butyrate directly boosted efferocytosis efficiency and capacity in mouse and human macrophages, with both intestinal and local delivery of butyrate capable of rescuing antibiotic-induced peripheral efferocytosis defects. Bulk mRNA sequencing of primary macrophages treated with butyrate in vitro and single cell mRNA sequencing of macrophages isolated from antibiotic-treated and butyrate-rescued mice revealed specific regulation of phagocytosis-associated transcriptional programs, in particular the induction of programs involved in or supportive of efferocytosis. Surprisingly, the effect of butyrate on efferocytosis was not mediated through G protein-coupled receptor signaling, but instead acted by inhibition of histone deacetylase 3. Strikingly, peripheral efferocytosis was impaired well-beyond withdrawal of antibiotics and, importantly, antibiotic-treated mice exhibited a poorer response to a sterile efferocytosis-dependent inflammation model. Collectively, our results demonstrate that a process essential for tissue homeostasis, efferocytosis, relies on distal molecular signals, and suggest that a defect in peripheral efferocytosis may contribute to the clinically-observed link between broad-spectrum antibiotics use and inflammatory disease.

The appropriate development of macrophages, the body's professional phagocyte, is essential for organismal development, especially in mammals. This dependence is exemplified by the observation that loss-of-function mutations in colony stimulating factor 1 receptor (CSF1R) results in multiple tissue abnormalities owing to an absence of macrophages. Despite this importance, little is known about the molecular and cell biological regulation of macrophage development. Here, we report the surprising finding that the chloride-sensing kinase With-no-lysine 1 (WNK1) is required for development of tissue-resident macrophages (TRMs). Myeloid-specific deletion of Wnk1 resulted in a dramatic loss of TRMs, disrupted organ development, systemic neutrophilia, and mortality between 3 and 4 weeks of age. Strikingly, we found that myeloid progenitors or precursors lacking WNK1 not only failed to differentiate into macrophages, but instead differentiated into neutrophils. Mechanistically, the cognate CSF1R cytokine macrophage-colony stimulating factor (M-CSF) stimulates macropinocytosis by both mouse and human myeloid progenitors and precursor cells. Macropinocytosis, in turn, induces chloride flux and WNK1 phosphorylation. Importantly, blocking macropinocytosis, perturbing chloride flux during macropinocytosis, and inhibiting WNK1 chloride-sensing activity each skewed myeloid progenitor differentiation from macrophages into neutrophils. Thus, we have elucidated a role for WNK1 during macropinocytosis and discovered a novel function of macropinocytosis in myeloid progenitors and precursor cells to ensure macrophage lineage fidelity.Myeloid-specific WNK1 loss causes failed macrophage development and premature deathM-CSF-stimulated myeloid progenitors and precursors become neutrophils instead of macrophagesM-CSF induces macropinocytosis by myeloid progenitors, which depends on WNK1Macropinocytosis enforces macrophage lineage commitment.

Abstract Despite the success of fructose as a low-cost food additive, recent epidemiological evidence suggests that high fructose consumption by pregnant mothers or during adolescence is associated with disrupted neurodevelopment 1–7 . An essential step in appropriate mammalian neurodevelopment is the synaptic pruning and elimination of newly-formed neurons by microglia, the central nervous system’s (CNS) resident professional phagocyte 8–10 . Whether early life high fructose consumption affects microglia function and if this directly impacts neurodevelopment remains unknown. Here, we show that both offspring born to dams fed a high fructose diet and neonates exposed to high fructose exhibit decreased microglial density, increased uncleared apoptotic cells, and decreased synaptic pruning in vivo . Importantly, deletion of the high affinity fructose transporter SLC2A5 (GLUT5) in neonates completely reversed microglia dysfunction, suggesting that high fructose directly affects neonatal development. Mechanistically, we found that high fructose treatment of both mouse and human microglia suppresses synaptic pruning and phagocytosis capacity which is fully reversed in GLUT5-deficient microglia. Using a combination of in vivo and in vitro nuclear magnetic resonance- and mass spectrometry-based fructose tracing, we found that high fructose drives significant GLUT5-dependent fructose uptake and catabolism, rewiring microglia metabolism towards a hypo-phagocytic state. Importantly, mice exposed to high fructose as neonates exhibited cognitive defects and developed anxiety-like behavior which were rescued in GLUT5-deficient animals. Our findings provide a mechanistic explanation for the epidemiological observation that early life high fructose exposure is associated with increased prevalence of adolescent anxiety disorders.