Abstract During tuberculosis, migration of dendritic cells (DCs) from the site of infection to the draining lymph nodes is known to be impaired, hindering the rapid development of protective T-cell mediated immunity. However, the mechanisms involved in the delayed migration of DCs during TB are still poorly defined. Here, we found that infection of DCs with Mycobacterium tuberculosis triggers HIF-1α-mediated aerobic glycolysis in a TLR2-dependent manner, and that this metabolic profile is essential for DC migration. In particular, the glycolysis inhibitor oxamate and the HIF-1α inhibitor PX-478 abrogated M. tuberculosis -induced DC migration in vitro to the lymphoid tissue-specific chemokine CCL21, and in vivo to lymph nodes in mice. Strikingly, we found that although monocytes from TB patients are inherently biased toward glycolysis metabolism, they differentiate into poorly glycolytic and poorly migratory DCs, compared with healthy subjects. Taken together, these data suggest that because of their preexisting glycolytic state, circulating monocytes from TB patients are refractory to differentiation into migratory DCs, which may explain the delayed migration of these cells during the disease and opens avenues for host-directed therapies for TB. Graphical Abstract

Tuberculosis (TB) is a significant aggravating factor in individuals living with human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1), the causative agent for acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). Both Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the bacterium responsible for TB, and HIV-1 target macrophages. Understanding how Mtb subverts these cells may facilitate the identification of new druggable targets. Here, we explored how TB can induce macrophages to form tunneling nanotubes (TNT), promoting HIV-1 spread. We found that TB triggers metabolic rewiring of macrophages, increasing their glycolytic ATP production. Using pharmacological inhibitors and glucose deprivation, we discovered that disrupting aerobic glycolysis significantly reduces HIV-1 exacerbation in these macrophages. Glycolysis is essential for tunneling nanotubes (TNT) formation, which facilitates viral transfer and cell-to-cell fusion and induces the expression of the sialoadhesin Siglec-1, enhancing both HIV-1 binding and TNT stabilization. Glycolysis did not exacerbate HIV-1 infection when TNT formation was pharmacologically prevented, indicating that higher metabolic activity is not sufficient per se to make macrophages more susceptible to HIV-1. Overall, these data might facilitate the development of targeted therapies aimed at inhibiting glycolytic activity in TB-induced immunomodulatory macrophages to ultimately halt HIV-1 dissemination in co-infected patients.

The ability of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) to persist inside host cells relies on metabolic adaptation, like the accumulation of lipid bodies (LBs) in the so-called foamy macrophages (FM). Indeed, FM are favorable to Mtb. The activation state of macrophages is tightly associated to different metabolic pathways, such as lipid metabolism, but whether differentiation towards FM differs between the macrophage activation profiles remains unclear. Here, we aimed to elucidate if distinct macrophage activation states exposed to a tuberculosis-associated microenvironment can accumulate LBs, and its impact on the control of infection. We showed that signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6) activation in interleukin (IL)-4-activated human macrophages (M(IL-4)) prevents FM formation induced by pleural effusion from patients with tuberculosis. In these cells, LBs are disrupted by lipolysis, and the released fatty acids enter the β-oxidation (FAO) pathway fueling the generation of ATP in mitochondria. We demonstrated that inhibition of the lipolytic activity or of the FAO drives M(IL-4) macrophages into FM. Also, exhibiting a predominant FAO metabolism, mouse alveolar macrophages are less prone to become FM compared to bone marrow derived-macrophages. Upon Mtb infection, M(IL-4) macrophages are metabolically re-programmed towards the aerobic glycolytic pathway and evolve towards a foamy phenotype, which could be prevented by FAO activation or inhibition of the hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF-1α)-induced glycolytic pathway. In conclusion, our results demonstrate a role for STAT6-driven FAO in preventing FM differentiation, and reveal an extraordinary capacity by Mtb to rewire metabolic pathways in human macrophages and induce the favorable FM.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) regulates the macrophage metabolic state to thrive in the host. Yet, the responsible mechanisms remain elusive. Macrophage activation towards the microbicidal (M1) program depends on the HIF-1α-mediated metabolic shift from oxidative phosphorylation towards glycolysis. Here, we asked whether a tuberculosis (TB) microenvironment changes the M1 macrophage metabolic state. We exposed M1 macrophages to the acellular fraction of tuberculous pleural effusions (TB-PE), and found lower glycolytic activity, accompanied by elevated levels of oxidative phosphorylation and bacillary load, compared to controls. The host-derived lipid fraction of TB-PE drove these metabolic alterations. HIF-1α stabilization reverted the effect of TB-PE by restoring M1 metabolism. As a proof-of-concept, Mtb-infected mice with stabilized HIF-1α displayed lower bacillary loads and a pronounced M1-like metabolic profile in alveolar macrophages. Collectively, we demonstrate that host-derived lipids from a TB-associated microenvironment alter the M1 macrophage metabolic reprogramming by hampering HIF-1α functions, thereby impairing control of Mtb infection.

During tuberculosis (TB), migration of dendritic cells (DCs) from the site of infection to the draining lymph nodes is known to be impaired, hindering the rapid development of protective T-cell-mediated immunity. However, the mechanisms involved in the delayed migration of DCs during TB are still poorly defined. Here, we found that infection of DCs with Mycobacterium tuberculosis (Mtb) triggers HIF1A-mediated aerobic glycolysis in a TLR2-dependent manner, and that this metabolic profile is essential for DC migration. In particular, the lactate dehydrogenase inhibitor oxamate and the HIF1A inhibitor PX-478 abrogated Mtb-induced DC migration in vitro to the lymphoid tissue-specific chemokine CCL21, and in vivo to lymph nodes in mice. Strikingly, we found that although monocytes from TB patients are inherently biased toward glycolysis metabolism, they differentiate into poorly glycolytic and poorly migratory DCs compared with healthy subjects. Taken together, these data suggest that because of their preexisting glycolytic state, circulating monocytes from TB patients are refractory to differentiation into migratory DCs, which may explain the delayed migration of these cells during the disease and opens avenues for host-directed therapies for TB.