During T cell activation, the engagement of costimulatory molecules is often crucial to the development of an effective immune response, but the mechanism by which this is achieved is not known. Here, it is shown that beads attached to the surface of a T cell translocate toward the interface shortly after the start of T cell activation. This movement appears to depend on myosin motor proteins and requires the engagement of the major costimulatory receptor pairs, B7-CD28 and ICAM-1–LFA-1. This suggests that the engagement of costimulatory receptors triggers an active accumulation of molecules at the interface of the T cell and the antigen-presenting cell, which then increases the overall amplitude and duration of T cell signaling.

Polycomb group protein Ezh2, one of the key regulators of development in organisms from flies to mice, exerts its epigenetic function through regulation of histone methylation. Here, we report the existence of the cytosolic Ezh2-containing methyltransferase complex and tie the function of this complex to regulation of actin polymerization in various cell types. Genetic evidence supports the essential role of cytosolic Ezh2 in actin polymerization-dependent processes such as antigen receptor signaling in T cells and PDGF-induced dorsal circular ruffle formation in fibroblasts. Revealed function of Ezh2 points to a broader usage of lysine methylation in regulation of both nuclear and extra-nuclear signaling processes.

Abstract TIM3 is a co-regulatory receptor that is highly expressed on multiple immune cell types, including on T cells after prolonged exposure to antigen. It marks functionally suppressed cytotoxic T lymphocytes (CTL) in the tumor microenvironment. However, it is unresolved whether TIM3 acts directly on suppressed CTL. Moreover, the nature of TIM3 ligands remains controversial. Paradoxically, TIM3 combines inhibitory function in vivo with costimulatory signaling capability in vitro. Here we have investigated TIM3 in the direct interaction of suppressed murine and human CTL with tumor target cell using spheroids. TIM3 directly inhibited the function of such CTL. TIM3 regulated the ability of suppressed CTL to polarize their cytoskeleton as a required step in cytolysis. Expression of CEACAM1 in cis, on the CTL, blocked TIM3 function, expression of CEACAM1 and galectin9 in trans, on the tumor target cells, enhanced TIM3 function. TIM3 only functioned as an inhibitory receptor on the spheroid-suppressed CTL, not on active CTL in a two-dimensional tissue culture model. These data suggest that TIM3 amplifies T cell function, serving as a co-inhibitory or co-stimulatory receptor depending on the functional context of the T cell it is expressed on.

Abstract CD8 + T cell killing of tumor cells is suppressed by the tumor microenvironment. Inhibitory receptors, prominently PD-1, are key mediators of this suppression. To discover cellular defects triggered by tumor exposure and associated PD-1 signaling, we have established an ex vivo imaging approach to investigate CD8 + tumor infiltrating lymphocytes (TILs) interacting with tumor targets. Whilst TIL:tumor cell couples formed effectively, couple stability deteriorated within 1-2 minutes. This was associated with excessive cofilin recruitment to the cellular interface, coincident deterioration of f-actin structures, increased TIL locomotion, and impaired tumor cell killing. Diminished engagement of PD-1 within the tumor, but not acute ex vivo blockade, partially restored cell couple maintenance and killing. PD-1 thus suppresses TIL function by inducing a polarization-impaired state.

Abstract T cells can express multiple inhibitory receptors. Upon induction of T cell exhaustion in response to persistent antigen, prominently in the anti-tumor immune response, many are expressed simultaneously. Key inhibitory receptors are CTLA-4, PD-1, LAG3, TIM3 and TIGIT, as investigated here. These receptors are important as central therapeutic targets in cancer immunotherapy. Inhibitory receptors are not constitutively expressed on the cell surface, but substantial fractions reside in intracellular vesicular structures. It remains unresolved to which extent the subcellular localization of different inhibitory receptors is distinct. Using quantitative imaging of subcellular distributions and plasma membrane insertion as complemented by proximity proteomics and a biochemical analysis of the association of the inhibitory receptors with trafficking adaptors, the subcellular distributions of the five inhibitory receptors were discrete. The distribution of CTLA-4 was most distinct with preferential association with lysosomal-derived vesicles and the sorting nexin 1/2/5/6 transport machinery. With a lack of evidence for the existence of specific vesicle subtypes to explain divergent inhibitory receptor distributions, we suggest that such distributions are driven by divergent trafficking through an overlapping joint set of vesicular structures. This extensive characterization of the subcellular localization of five inhibitory receptors in relation to each other lays the foundation for the molecular investigation of their trafficking and its therapeutic exploitation.

Abstract Tumors generate an immune-suppressive environment that prevents effective killing of tumor cells by CD8 + cytotoxic T cells (CTL). It remains largely unclear upon which cell type and at which stage of the anti-tumor response mediators of suppression act. We have combined an in vivo tumor model with a matching in vitro reconstruction of the tumor microenvironment based on tumor spheroids to identify suppressors of anti-tumor immunity that directly act on interaction between CTL and tumor cells and to determine mechanisms of action. An adenosine 2a receptor antagonist, as enhanced by blockade of TIM3, slowed tumor growth in vivo. Engagement of the adenosine 2a receptor and TIM3 reduced tumor cell killing in spheroids, impaired CTL cytoskeletal polarization ex vivo and in vitro and inhibited CTL infiltration into tumors and spheroids. With this focus on CTL killing, blocking A2aR and TIM3 complements therapies that enhance T cell priming, e.g. anti-PD1 and anti-CTLA-4.

Abstract Intrinsically disordered proteins (IDPs) play a vital role in biological processes that rely on transient molecular compartmentation 1 . In T cells, the dynamic switching between migration and adhesion mandates a high degree of plasticity in the interplay of adhesion and signaling molecules with the actin cytoskeleton 2,3 . Here, we show that the N-terminal intrinsically disordered region (IDR) of adhesion- and degranulation-promoting adapter protein (ADAP) acts as a multipronged scaffold for G- and F-actin, thereby promoting actin polymerization and bundling. Positively charged motifs, along a sequence of at least 200 amino acids, interact with both longitudinal sides of G-actin in a promiscuous manner. These polymorphic interactions with ADAP become constrained to one side once F-actin is formed. Actin polymerization by ADAP acts in synergy with a capping protein but competes with cofilin. In T cells, ablation of ADAP impairs adhesion and migration with a time-dependent reduction of the F-actin content in response to chemokine or T cell receptor (TCR) engagement. Our data suggest that IDR-assisted molecular crowding of actin above the critical concentration defines a new mechanism to regulate cytoskeletal dynamics. The principle of IDRs serving as molecular sponges to facilitate regulated self-assembly of filament-forming proteins might be a general phenomenon.

Abstract Supramolecular signaling assemblies are of interest for their unique signaling properties. A µm scale signaling assembly, the central supramolecular signaling cluster (cSMAC), forms at the center of the interface of T cells activated by antigen presenting cells. We have determined that it is composed of multiple complexes of a supramolecular volume of up to 0.5µm 3 and associated with extensive membrane undulations. To determine cSMAC function, we have systematically manipulated the localization of three adaptor proteins, LAT, SLP-76, and Grb2. cSMAC localization varied between the adaptors and was diminished upon blockade of the costimulatory receptor CD28 and deficiency of the signal amplifying kinase Itk. Reconstitution of cSMAC localization restored IL-2 secretion which is a key T cell effector function as dependent on reconstitution dynamics. Our data suggest that the cSMAC enhances early signaling by facilitating signaling interactions and attenuates signaling thereafter through sequestration of a more limited set of signaling intermediates.