Effective T cell–mediated immune responses require the proper allocation of metabolic resources to sustain growth, proliferation, and cytokine production. Epigenetic control of the genome also governs T cell transcriptome and T cell lineage commitment and maintenance. Cellular metabolic programs interact with epigenetic regulation by providing substrates for covalent modifications of chromatin. By using complementary genetic, epigenetic, and metabolic approaches, we revealed that tricarboxylic acid (TCA) cycle flux fueled biosynthetic processes while controlling the ratio of succinate/α-ketoglutarate (α-KG) to modulate the activities of dioxygenases that are critical for driving T cell inflammation. In contrast to cancer cells, where succinate dehydrogenase (SDH)/complex II inactivation drives cell transformation and growth, SDH/complex II deficiency in T cells caused proliferation and survival defects when the TCA cycle was truncated, blocking carbon flux to support nucleoside biosynthesis. Replenishing the intracellular nucleoside pool partially relieved the dependence of T cells on SDH/complex II for proliferation and survival. SDH deficiency induced a proinflammatory gene signature in T cells and promoted T helper 1 and T helper 17 lineage differentiation. An increasing succinate/α-KG ratio in SDH-deficient T cells promoted inflammation by changing the pattern of the transcriptional and chromatin accessibility signatures and consequentially increasing the expression of the transcription factor, PR domain zinc finger protein 1. Collectively, our studies revealed a role of SDH/complex II in allocating carbon resources for anabolic processes and epigenetic regulation in T cell proliferation and inflammation.

Abstract Isoenzyme divergence is a prevalent mechanism governing tissue-specific and developmental stage-specific metabolism in mammals. The isoenzyme pattern (spectrum) of lactate dehydrogenase (LDH) reflects the status of glucose metabolism in different organs such as muscle, liver, and heart. T cells are highly dependent on glucose metabolism for survival, proliferation, and differentiation. However, the LDH isoenzyme spectrum in T cells and its potential impact on T cell-mediated immune response remain unclear. Here, we discovered that the LDH spectrum in murine T cells is characterized by three tetrameric isoenzymes composed of LDHA and LDHB (LDH-3/4/5). Genetic deletion of LDHA or LDHB altered the isoenzyme spectrum by removing all heterotetramers and leaving T cell with LDH-1 (the homotetramer of LDHB) or LDH-5 (the homotetramer of LDHA), respectively. Accordingly, altering the isoenzyme spectrum by deleting LDHA or LDHB compromises T cell metabolic fitness and effector cell differentiation in vivo. Unexpectedly, deleting LDHA suppressed glycolysis, whereas deleting LDHB further enhanced it, indicating that an optimal zone of glycolytic activity is critical to driving effector T cell differentiation. Mechanistically, the LDH isoenzyme spectrum imposed by LDHA and LDHB is required to optimize glycolysis to maintain a balanced NAD + /NADH pool, a hallmark of metabolic fitness. Together, our results suggest that the LDH isoenzyme spectrum enables “Goldilocks levels” of glycolytic and redox activity (i.e., not too high, not too low, but just right) to control T cell differentiation function.

Abstract γ-Aminobutyrate (GAB) is the biochemical form of γ-aminobutyric acid (GABA) at physiological pH and functions as an essential neurotransmitter in the vertebrate’s central nervous system (CNS). Growing evidence suggests that GAB may also mediate intercellular communications to shape various physiological processes, including immune response. Beyond acting as a paracrine signaling molecule, how GAB metabolism is controlled to exert many distinct functions remains elusive. By an integrated analysis of the extracellular metabolome, stable isotope traced metabolic pathway analysis, and metabolic transcriptome, we revealed that GAB is one of the most abundant metabolites produced through glutamine and arginine catabolism in CD4 + T help 17 (T H 17) and induced T regulatory (iT reg ) cells. GAB functions as a bioenergetic and signaling gatekeeper by reciprocally controlling pro-inflammatory T H 17 cell and anti-inflammatory iT reg cell differentiation through distinct mechanisms. The expression of 4-aminobutyrate aminotransferase (ABAT) funnels GAB, as an anaplerotic substrate, into the TCA cycle to maximize carbon allocation in promoting T H 17 cell differentiation. By contrast, the absence of ABAT activities in iT reg cells enables GAB exporting to the extracellular environment and acting as an autocrine signaling metabolite to promote iT reg cell differentiation. Accordingly, genetic or pharmacological ablation of ABAT activity in T cells confers protection against experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) pathogenic progression. Conversely, genetic ablation of GABA(A) receptor in T cells deteriorates EAE pathogenic progression. Collectively, our results suggest that the cell-autonomous control exerted by GAB on CD4 + T cell is bimodal and consists of the sequential action of two discrete processes, ABAT–dependent mitochondrial anaplerosis and the receptor-dependent autocrine signaling response, both of which are required for a properly controlled T cell-mediated inflammation.

Abstract The MYC proto-oncogenes (c-MYC, MYCN , MYCL ) are among the most deregulated oncogenic drivers in human malignancies including high-risk neuroblastoma, 50% of which are MYCN -amplified. Genetically engineered mouse models (GEMMs) based on the MYCN transgene have greatly expanded the understanding of neuroblastoma biology and are powerful tools for testing new therapies. However, a lack of c-MYC–driven GEMMs has hampered the ability to better understand mechanisms of neuroblastoma oncogenesis and therapy development given that c-MYC is also an important driver of many high-risk neuroblastomas. In this study, we report two transgenic murine neuroendocrine models driven by conditional c-MYC induction in tyrosine hydroxylase (Th) and dopamine β-hydroxylase (Dbh)-expressing cells. c-MYC induction in Th-expressing cells leads to a preponderance of Pdx1 + somatostatinomas, a type of pancreatic neuroendocrine tumor (PNET), resembling human somatostatinoma with highly expressed gene signatures of δ cells and potassium channels. In contrast, c-MYC induction in Dbh-expressing cells leads to onset of neuroblastomas, showing a better transforming capacity than MYCN in a comparable C57BL/6 genetic background. The c-MYC murine neuroblastoma tumors recapitulate the pathologic and genetic features of human neuroblastoma, express GD2, and respond to anti-GD2 immunotherapy. This model also responds to DFMO, an FDA-approved inhibitor targeting ODC1, which is a known MYC transcriptional target. Thus, establishing c-MYC–overexpressing GEMMs resulted in different but related tumor types depending on the targeted cell and provide useful tools for testing immunotherapies and targeted therapies for these diseases.

Abstract TAS1R taste receptors and their associated heterotrimeric G protein gustducin are strongly expressed in testis and sperm, but their functions and distribution in these tissues were unknown. Using transgenic mouse models, we show that taste signal transduction cascades (mTas1r3-Gnat3-Trmp5) are observed in testis form GFP transgenic mice. It is mTas1rs and mTas2rs, not Gnat3, that was expressed in leydig and sertoli cells. The pattern of mTas1r3 expression was different from that of mTas2r105 expression in seminiferous epithelium. Analysis of the seminiferous epithelium cycle show that both mTas1r3 and mTas2r105 is expressed in the spermatid stage, but mTas2r5 expression is found in spermatocyte stage. Conditional deletion of mTas1r3+ cells leads to male infertility, but do not affect the expression of taste signal transduction cascade during the spermatogenesis. The current results indicate a critical role for mTas1r3+ cell in sperm development and maturation.

Abstract Robust and effective T cell-mediated immune responses require proper allocation of metabolic resources through metabolic pathways to sustain the energetically costly immune response. As an essential class of polycationic metabolites ubiquitously present in all living organisms, the polyamine pool is tightly regulated by biosynthesis and salvage pathway. We demonstrated that arginine is a major carbon donor and glutamine is a minor carbon donor for polyamine biosynthesis in T cells. Accordingly, the dependence of T cells can be partially relieved by replenishing the polyamine pool. In response to the blockage of de novo synthesis, T cells can rapidly restore the polyamine pool through a compensatory increase in polyamine uptake from the environment, indicating a layer of metabolic plasticity. Simultaneously blocking synthesis and uptake depletes the intracellular PA pool, inhibits T cell proliferation, suppresses T cell inflammation, indicating the potential therapeutic value of targeting the polyamine for managing inflammatory and autoimmune diseases.

Abstract Robust and effective T cell-mediated immune responses require the proper allocation of metabolic resources to sustain energetically costly processes like growth, proliferation, and cytokine production. Epigenetic control of the genome also governs T cell transcriptome and T cell lineage commitment and maintenance. Cellular metabolic programs interact with epigenetic regulation by providing substrates for covalent modifications of chromatin. By employing complementary genetic, epigenetic, and metabolic approaches, we revealed that tricarboxylic acid (TCA) cycle flux fuels biosynthetic processes while controlling the ratio of α-ketoglutarate/succinate to modulate the activities of dioxygenases that are critical for driving T cell inflammation. In contrast to cancer cells, where succinate dehydrogenase (SDH)/complex II inactivation drives cell transformation and growth, SDH/complex II deficiency in T cells causes proliferation and survival defects when the TCA cycle is truncated, blocking carbon flux to support nucleosides biosynthesis. Accordingly, replenishing the intracellular nucleoside pool partially relieved the dependence of T cells on SDH/complex II for proliferation and survival. Conversely, SDH deficiency induces a pro-inflammatory gene signature in T cells and promotes T helper 1 (T H 1) and T helper 17 (T H 17) lineage differentiation. Mechanistically, the hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) is not required for succinate-induced inflammation in T cells. A reduced α-ketoglutarate/succinate ratio in SDH deficient T cells promotes inflammation through changing the pattern of the transcriptional and chromatin-accessibility signatures and consequentially increasing the expression of the transcription factor, B lymphocyte-induced maturation protein-1 (Blimp-1). Collectively, our studies revealed a critical role of SDH/complex II in allocating carbon resources for anabolic processes and epigenetic regulation in T cell proliferation and inflammation.

Abstract Robust and effective T cell immune surveillance and cancer immunotherapy require properly allocating metabolic resources to sustain energetically costly processes, including growth and cytokine production. Amino acids are major cellular constituents that serve as protein building blocks, energy sources, and signaling molecules. Although T cells can synthesize all nonessential amino acids, including asparagine (Asn), activated CD8 T cells still consume considerable quantities of exogenous Asn. Unexpectedly, Asn restriction on CD8 T cells induced a biphasic response, consisting of sequential actions with opposing effects at two conceptually separated phases after activation. Asn restriction suppressed activation and cell cycle entry in the early phase by depleting the intracellular Asn pool while rapidly engaging an ATF4/NRF2-dependent stress response, conferring robust proliferation and effector function of CD8 T cells in the late phase. Mechanistically, ATF4 and NRF2 activation rendered CD8 T cells to utilize de novo biosynthesis of Asn, consuming less glucose and glutamine but producing more intracellular nucleotides for proliferation. Moreover, NRF2 activation promoted the expression of inflammatory and effector genes to enhance effector functions in CD8 T cells. Accordingly, Asn restriction or overexpression of ATF4 or NRF2 potentiated T cell-mediated antitumoral response in the metabolically restricted tumor microenvironment. Our studies revealed Asn as a critical metabolic node in directing the stress signaling to shape T cell metabolic fitness and effector functions. Asn restriction is a promising and clinically relevant strategy to enhance cancer immunotherapy.

T cells undergo a characteristic metabolic rewiring that fulfills the dramatically increased bioenergetic, biosynthetic, and redox demands following antigen stimulation. A robust adaptive immune system requires effector T cells to respond and adapt to fluctuations in environmental nutrient levels imposed by infectious and inflammatory sites in different tissues. Inevitably, such responsiveness and adaptation reflect metabolic plasticity, allowing T cells to elicit immune functions by using a wide range of nutrient substrates. Here, we show that effector T cells utilize inosine, as an alternative substrate, to support cell growth and function in the absence of glucose. T cells metabolize inosine into hypoxanthine and phosphorylated ribose by purine nucleoside phosphorylase (PNP). Using Stable Isotope-Resolved Metabolomics (SIRM), we demonstrated that ribose moiety of inosine can enter into central metabolic pathways to provide ATP and biosynthetic precursors. Accordingly, the dependence of T cells on extracellular glucose for growth and effector functions can be relieved by inosine. On the other hand, cancer cells display diverse capacity to utilize inosine as a carbon resource. Moreover, the supplement of inosine enhances the anti-tumor efficacy of immune-checkpoint blockade or adoptive T cell transfer, reflecting the capability of inosine in relieving tumor-imposed metabolic restrictions on T cells in vivo.