Abstract Mitochondria control eukaryotic cell fate by producing the energy needed to support life and the signals required to execute programmed cell death. The biochemical milieu is known to affect mitochondrial function and contribute to the dysfunctional mitochondrial phenotypes implicated in cancer and the morbidities of ageing. However, the physical characteristics of the extracellular matrix are also altered in cancer and in aging tissues. We demonstrate that cells sense the physical properties of the extracellular matrix and activate a mitochondrial stress response that adaptively tunes mitochondrial function via SLC9A1-dependent ion exchange and HSF1-dependent transcription. Overall, our data indicate that adhesion-mediated mechanosignaling may play an unappreciated role in the altered mitochondrial functions observed in aging and cancer. Graphical Abstract

Abstract Tumor progression is accompanied by fibrosis, which is associated with diminished anti-tumor immune infiltrate. Here, we demonstrate that tumor infiltrating myeloid cells respond to the stiffened fibrotic tumor microenvironment (TME) by initiating a TGF-beta (TGFβ)-directed, collagen biosynthesis program. A collateral effect of this programming is an untenable metabolic milieu for productive CD8 T cell anti-tumor responses, as collagen-synthesizing macrophages consume environmental arginine, synthesize proline, and secrete ornithine that compromises CD8 + T cell function. Thus, a stiff and fibrotic TME may impede anti-tumor immunity not only by direct physical exclusion of CD8 + T cells, but also via secondary effects of a myeloid mechano-metabolic programming we identified that creates an inhospitable metabolic milieu for CD8 + T cells.

Toll-like receptor (TLR)-dependent macrophage responses rely on acute increases in oxidative mitochondrial glucose metabolism that epigenetically support rapid proinflammatory transcriptional programming via histone acetylation. Subsequent suppression of oxidative metabolism restrains this metabolic-epigenetic support of proinflammatory gene transcription to enforce tolerance, an immunosuppressed state of innate immune memory. Identifying biology that promotes or counters these metabolic-epigenetic changes will inform therapeutic approaches to influence proinflammatory, antimicrobial, and immunosuppressed myeloid cellular states. Here, we demonstrate that Coenzyme A (CoA) is a ″ metabolic adjuvant ″, as supplying exogenous CoA to macrophages both enhances the magnitude of TLR-driven proinflammatory and antimicrobial responses, and reverse tolerance, via promotion of oxidative metabolism. Extracellular CoA, which we isotopically trace to show its direct uptake by macrophages, works synergistically with tonic TLR signaling, which we demonstrate is a critical regulator of nutrient uptake, metabolism, histone acetylation, and gene expression in macrophages. Together, TLR signaling and exogenous CoA promote mitochondrial glucose oxidation, acetyl-CoA production, and TLR target gene-specific histone acetylation, enhancing metabolic-epigenetic support of proinflammatory transcriptional programming. Exogenous CoA unlocks tumor-associated macrophage (TAM)-dependent TLR agonist anti-tumor activity in an in vivo breast cancer model, and promotes macrophage restriction of the intracellular bacterial pathogen Legionella pneumophila in vitro via an Irg1-dependent antimicrobial state of CoA-augmented itaconate biosynthesis. Our findings demonstrate direct acquisition of intact extracellular CoA, and the ability of this exogenously supplemented metabolic cofactor to augment a key oxidative metabolic-epigenetic pathway supporting proinflammatory and antimicrobial macrophage phenotypes. This may inform host-targeted metabolic adjuvant therapies to reverse myeloid immunosuppression.

Abstract Macrophages generate mitochondrial reactive oxygen and electrophilic species (mtROS, mtRES) as antimicrobials during Toll-like receptor (TLR)-dependent inflammatory responses. Whether mitochondrial stress caused by these molecules impacts macrophage function is unknown. Here we demonstrate that both pharmacologically- and lipopolysaccharide (LPS)-driven mitochondrial stress in macrophages triggers a stress response called mitohormesis. LPS-driven mitohormetic stress adaptations occur as macrophages transition from an LPS-responsive to LPS-tolerant state where stimulus-induced proinflammatory gene transcription is impaired, suggesting tolerance is a product of mitohormesis. Indeed, like LPS, pharmacologically-triggered mitohormesis suppresses mitochondrial oxidative metabolism and acetyl-CoA production needed for histone acetylation and proinflammatory gene transcription, and is sufficient to enforce an LPS-tolerant state. Thus, mtROS and mtRES are TLR-dependent signaling molecules that trigger mitohormesis as a negative feedback mechanism to restrain inflammation via tolerance. Moreover, bypassing TLR signaling and pharmacologically triggering mitohormesis represents a novel anti-inflammatory strategy that co-opts this stress response to impair epigenetic support of proinflammatory gene transcription by mitochondria. Abstract Figure

Summary Efforts to identify anti-cancer therapeutics and understand tumor-immune interactions are built with in vitro models that do not match the microenvironmental characteristics of human tissues. Using in vitro models which mimic the physical properties of healthy or cancerous tissues and a physiologically relevant culture medium, we demonstrate that the chemical and physical properties of the microenvironment regulate the composition and topology of the glycocalyx. Remarkably, we find that cancer and age-related changes in the physical properties of the microenvironment are sufficient to adjust immune surveillance via the topology of the glycocalyx, a previously unknown phenomenon observable only with a physiologically relevant culture medium. Key Points Culture medium dictates cellular mechanoresponse signatures in vitro Epithelial glycocalyx construction is mediated by Heat Shock Factor 1 (HSF1) Sialic acid topology dictates Natural Killer cell cytotoxicity Physiological microenvironments reveal distinct glycobiology

Summary The formation of a pre-metastatic niche is a critical step during the metastatic spread of cancer. One way by which primary tumors prime host cells at future metastatic sites is through local shedding of tumor-derived microparticles as a consequence of vascular sheer flow. However, it remains unclear how the uptake of such particles by resident immune cells affects their phenotype and function. Here we show that ingestion of tumor-derived microparticles by macrophages induces a rapid metabolic and phenotypic switch that is characterized by enhanced mitochondrial mass and function, increased oxidative phosphorylation and upregulation of cellular adhesion molecules resulting in reduced motility in the early metastatic lung. We show that this reprogramming event is dependent on signaling through the mTORC1, but not mTORC2 pathway, and is unique to uptake of tumor-derived microparticles. Together, these data support a mechanism by which uptake of tumor-derived microparticles induces reprogramming of macrophages to shape their fate and function in the early metastatic lung.

Mechanical stress is a measure of internal resistance exhibited by a body or material when external forces, such as compression, tension, bending, etc. are applied. The study of mechanical stress on health and aging is a continuously growing field, as major changes to the extracellular matrix and cell-to-cell adhesions can result in dramatic changes to tissue stiffness during aging and diseased conditions. For example, during normal aging, many tissues including the ovaries, skin, blood vessels, and heart exhibit increased stiffness, which can result in a significant reduction in function of that organ. As such, numerous model systems have recently emerged to study the impact of mechanical and physical stress on cell and tissue health, including cell-culture conditions with matrigels and other surfaces that alter substrate stiffness and ex vivo tissue models that can apply stress directly to organs like muscle or tendons. Here, we sought to develop a novel method in an in vivo, model organism setting to study the impact of mechanical stress on aging, by increasing substrate stiffness in solid agar medium of C. elegans . To our surprise, we found shockingly limited impact of growth of C. elegans on stiffer substrates, including limited effects on cellular health, gene expression, organismal health, stress resilience, and longevity. Overall, our studies reveal that altering substrate stiffness of growth medium for C. elegans have only mild impact on animal health and longevity; however, these impacts were not nominal and open up important considerations for C. elegans biologists in standardizing agar medium choice for experimental assays.

Summary When monocyte-derived macrophages are recruited to injured tissues, they can induce a maladaptive fibrotic response characterized by excessive production of fibrillar collagen from local fibroblasts. Macrophages initiate the fibrotic programming of fibroblasts via paracrine factors, but it is unclear if reciprocal responses from the fibroblasts trigger pro-fibrotic programming of macrophages to establish a collaborative feed-forward fibrotic circuit. We identify macrophage-fibroblast cross talk necessary for injury-associated fibrosis, in which macrophages induce interleukin 6 ( IL-6 ) expression in fibroblasts via purinergic receptor P2rx4 signaling and IL-6 induces arginase 1 ( Arg1 ) expression in macrophages. Surprisingly, Arg1 contributes to fibrotic responses by metabolizing arginine to ornithine, which fibroblasts use as a substrate to synthesize proline, a uniquely abundant constituent of fibrillar collagen. Taken together, we define a bidirectional circuit between macrophages and fibroblasts that facilitates cross-feeding metabolism necessary for injury-associated fibrosis.

Abstract Age is a major risk factor for liver cancer, as is the case for most adult human cancers. However, the underlying mechanisms are not well defined. A better understanding of the role of aging in liver and other cancers can facilitate approaches for risk assessment, early detection and prevention. We hypothesize that age-driven changes render aged liver more sensitive to oncogenic stress and hence tumorigenesis. To investigate how the liver changes with age, we documented the immune profile, transcriptome and epigenome of healthy livers from both young and aged mice, revealing pronounced alterations with aging. Notably, in aged hepatocytes, we identified heightened interferon (IFN) signaling, as well as simultaneous tumor suppressor and oncogene signaling at both bulk and single cell level, suggestive of an aged liver that is poised for neoplasia. To challenge this seemingly poised state, we employed adeno-associated virus (AAV)-mediated expression of a c-Myc oncogene in young and aged mouse liver hepatocytes in vivo . Analysis of aged hepatocytes expressing c-Myc revealed further elevated expression of IFN Stimulated Genes (ISGs). This ISG upregulation was evident in multiple models of oncogenic stress and transformation in older mice and also observed in aged humans with Metabolic dysfunction-Associated Steatohepatitis (MASH). We determined that Stat1 is both necessary and sufficient for the age specific elevated ISG expression in old wild type mice. Remarkably, inhibiting Jak/Stat signaling alongside ectopic c-Myc expression led to high-grade hepatocyte dysplasia and tumor formation, selectively in aged mice. Together, these results suggest that an aged liver is in a state of “precarious balance”, due to concurrent activation of oncogenic and tumor suppressor pathways, but protected against neoplastic progression by IFN-signaling. Age-dependent activation of IFN signaling has been observed in many tissues and recent studies have demonstrated its detrimental consequences on aging, raising the question as to why IFN-signaling is activated during aging. We propose that aged tissues are intrinsically at higher risk of cancer and age-dependent activation of IFN-signaling is an adaptive process to protect from tumorigenesis, but one that also has maladaptive consequences.