Naive CD8+ T cells rely upon oxidation of fatty acids as a primary source of energy. After antigen encounter, T cells shift to a glycolytic metabolism to sustain effector function. It is unclear, however, whether changes in glucose metabolism ultimately influence the ability of activated T cells to become long-lived memory cells. We used a fluorescent glucose analog, 2-NBDG, to quantify glucose uptake in activated CD8+ T cells. We found that cells exhibiting limited glucose incorporation had a molecular profile characteristic of memory precursor cells and an increased capacity to enter the memory pool compared with cells taking up high amounts of glucose. Accordingly, enforcing glycolytic metabolism by overexpressing the glycolytic enzyme phosphoglycerate mutase-1 severely impaired the ability of CD8+ T cells to form long-term memory. Conversely, activation of CD8+ T cells in the presence of an inhibitor of glycolysis, 2-deoxyglucose, enhanced the generation of memory cells and antitumor functionality. Our data indicate that augmenting glycolytic flux drives CD8+ T cells toward a terminally differentiated state, while its inhibition preserves the formation of long-lived memory CD8+ T cells. These results have important implications for improving the efficacy of T cell-based therapies against chronic infectious diseases and cancer.

Adoptive transfer of large numbers of tumor-reactive CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTLs) expanded and differentiated in vitro has shown promising clinical activity against cancer. However, such protocols are complicated by extensive ex vivo manipulations of tumor-reactive cells and have largely focused on CD8+ CTLs, with much less emphasis on the role and contribution of CD4+ T cells. Using a mouse model of advanced melanoma, we found that transfer of small numbers of naive tumor-reactive CD4+ T cells into lymphopenic recipients induces substantial T cell expansion, differentiation, and regression of large established tumors without the need for in vitro manipulation. Surprisingly, CD4+ T cells developed cytotoxic activity, and tumor rejection was dependent on class II–restricted recognition of tumors by tumor-reactive CD4+ T cells. Furthermore, blockade of the coinhibitory receptor CTL-associated antigen 4 (CTLA-4) on the transferred CD4+ T cells resulted in greater expansion of effector T cells, diminished accumulation of tumor-reactive regulatory T cells, and superior antitumor activity capable of inducing regression of spontaneous mouse melanoma. These findings suggest a novel potential therapeutic role for cytotoxic CD4+ T cells and CTLA-4 blockade in cancer immunotherapy, and demonstrate the potential advantages of differentiating tumor-reactive CD4+ cells in vivo over current protocols favoring in vitro expansion and differentiation.

Lymphodepletion with total body irradiation (TBI) increases the efficacy of adoptively transferred tumor-specific CD8(+) T cells by depleting inhibitory lymphocytes and increasing homeostatic cytokine levels. We found that TBI augmented the function of adoptively transferred CD8(+) T cells in mice genetically deficient in all lymphocytes, indicating the existence of another TBI mechanism of action. Additional investigation revealed commensal gut microflora in the mesenteric lymph nodes and elevated LPS levels in the sera of irradiated mice. These findings correlated with increased dendritic cell activation and heightened levels of systemic inflammatory cytokines. Reduction of host microflora using antibiotics, neutralization of serum LPS using polymyxin B, or removal of LPS signaling components using mice genetically deficient in CD14 and TLR4 reduced the beneficial effects of TBI on tumor regression. Conversely, administration of microbial ligand-containing serum or ultrapure LPS from irradiated animals to nonirradiated antibody-lymphodepleted mice enhanced CD8(+) T cell activation and improved tumor regression. Administration of ultrapure LPS to irradiated animals further enhanced the number and function of the adoptively transferred cells, leading to long-term cure of mice with large B16F10 tumors and enhanced autoimmune vitiligo. Thus, disruption of the homeostatic balance between the host and microbes can enhance cell-based tumor immunotherapy.

Summary

 Th17 cells have been described as short lived, but this view is at odds with their capacity to trigger protracted damage to normal and transformed tissues. We report that Th17 cells, despite displaying low expression of CD27 and other phenotypic markers of terminal differentiation, efficiently eradicated tumors and caused autoimmunity, were long lived, and maintained a core molecular signature resembling early memory CD8⁺ cells with stem cell-like properties. In addition, we found that Th17 cells had high expression of Tcf7, a direct target of the Wnt and β-catenin signaling axis, and accumulated β-catenin, a feature observed in stem cells. In vivo, Th17 cells gave rise to Th1-like effector cell progeny and also self-renewed and persisted as IL-17A-secreting cells. Multipotency was required for Th17 cell-mediated tumor eradication because effector cells deficient in IFN-γ or IL-17A had impaired activity. Thus, Th17 cells are not always short lived and are a less-differentiated subset capable of superior persistence and functionality.

In vitro differentiated CD8(+) T cells have been the primary focus of immunotherapy of cancer with little focus on CD4(+) T cells. Immunotherapy involving in vitro differentiated T cells given after lymphodepleting regimens significantly augments antitumor immunity in animals and human patients with cancer. However, the mechanisms by which lymphopenia augments adoptive cell therapy and the means of properly differentiating T cells in vitro are still emerging. We demonstrate that naive tumor/self-specific CD4(+) T cells naturally differentiated into T helper type 1 cytotoxic T cells in vivo and caused the regression of established tumors and depigmentation in lymphopenic hosts. Therapy was independent of vaccination, exogenous cytokine support, CD8(+), B, natural killer (NK), and NKT cells. Proper activation of CD4(+) T cells in vivo was important for tumor clearance, as naive tumor-specific CD4(+) T cells could not completely treat tumor in lymphopenic common gamma chain (gamma(c))-deficient hosts. gamma(c) signaling in the tumor-bearing host was important for survival and proper differentiation of adoptively transferred tumor-specific CD4(+) T cells. Thus, these data provide a platform for designing immunotherapies that incorporate tumor/self-reactive CD4(+) T cells.

Effector cells derived from central memory CD8 + T cells were reported to engraft and survive better than those derived from effector memory populations, suggesting that they are superior for use in adoptive immunotherapy studies. However, previous studies did not evaluate the relative efficacy of effector cells derived from naïve T cells. We sought to investigate the efficacy of tumor-specific effector cells derived from naïve or central memory T-cell subsets using transgenic or retrovirally transduced T cells engineered to express a tumor-specific T-cell receptor. We found that naïve, rather than central memory T cells, gave rise to an effector population that mediated superior antitumor immunity upon adoptive transfer. Effector cells developed from naïve T cells lost the expression of CD62L more rapidly than those derived from central memory T cells, but did not acquire the expression of KLRG-1, a marker for terminal differentiation and replicative senescence. Consistent with this KLRG-1 − phenotype, naïve-derived cells were capable of a greater proliferative burst and had enhanced cytokine production after adoptive transfer. These results indicate that insertion of genes that confer antitumor specificity into naïve rather than central memory CD8 + T cells may allow superior efficacy upon adoptive transfer.

Diverse autoimmune and allergic diseases are associated with polymorphisms in a locus encoding the transcription factor BACH2; here, BACH2 is shown to be a broad regulator of immune activation that stabilizes the differentiation of Treg cells by repressing commitment of CD4+ T cells to alternate cell fates. Polymorphisms within a locus encoding the transcription factor BACH2 are associated with a number of allergic and autoimmune diseases including asthma, multiple sclerosis, Crohn's disease, coeliac disease and type 1 diabetes. This paper identifies a mechanism by which BACH2 might contribute to autoimmunity. Roychoudhuri et al. show how BACH2 limits autoimmunity by repressing alternative cell fates through the stabilization of the differentiation of regulatory T cells. These findings suggest a role for BACH2 as a regulator of CD4+ T-cell differentiation, preventing inflammatory disease by controlling the balance between tolerance and immunity. Through their functional diversification, distinct lineages of CD4+ T cells can act to either drive or constrain immune-mediated pathology. Transcription factors are critical in the generation of cellular diversity, and negative regulators antagonistic to alternate fates often act in conjunction with positive regulators to stabilize lineage commitment1. Genetic polymorphisms within a single locus encoding the transcription factor BACH2 are associated with numerous autoimmune and allergic diseases including asthma2, Crohn’s disease3,4, coeliac disease5, vitiligo6, multiple sclerosis7 and type 1 diabetes8. Although these associations point to a shared mechanism underlying susceptibility to diverse immune-mediated diseases, a function for BACH2 in the maintenance of immune homeostasis has not been established. Here, by studying mice in which the Bach2 gene is disrupted, we define BACH2 as a broad regulator of immune activation that stabilizes immunoregulatory capacity while repressing the differentiation programs of multiple effector lineages in CD4+ T cells. BACH2 was required for efficient formation of regulatory (Treg) cells and consequently for suppression of lethal inflammation in a manner that was Treg-cell-dependent. Assessment of the genome-wide function of BACH2, however, revealed that it represses genes associated with effector cell differentiation. Consequently, its absence during Treg polarization resulted in inappropriate diversion to effector lineages. In addition, BACH2 constrained full effector differentiation within TH1, TH2 and TH17 cell lineages. These findings identify BACH2 as a key regulator of CD4+ T-cell differentiation that prevents inflammatory disease by controlling the balance between tolerance and immunity.