Sustained glucose and glutamine transport are essential for activated T lymphocytes to support ATP and macromolecule biosynthesis. We found that glutamine and glucose also fuel an indispensable dynamic regulation of intracellular protein O-GlcNAcylation at key stages of T cell development, transformation and differentiation. Glucose and glutamine are precursors of uridine diphosphate N-acetylglucosamine (UDP-GlcNAc), a substrate for cellular glycosyltransferases. Immune-activated T cells contained higher concentrations of UDP-GlcNAc and increased intracellular protein O-GlcNAcylation controlled by the enzyme O-linked-β-N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) glycosyltransferase as compared with naive cells. We identified Notch, the T cell antigen receptor and c-Myc as key controllers of T cell protein O-GlcNAcylation via regulation of glucose and glutamine transport. Loss of O-GlcNAc transferase blocked T cell progenitor renewal, malignant transformation and peripheral T cell clonal expansion. Nutrient-dependent signaling pathways regulated by O-GlcNAc glycosyltransferase are thus fundamental for T cell biology.

How cells adapt metabolism to meet demands is an active area of interest across biology. Among a broad range of functions, the polyamine spermidine is needed to hypusinate the translation factor eukaryotic initiation factor 5A (eIF5A). We show here that hypusinated eIF5A (eIF5AH) promotes the efficient expression of a subset of mitochondrial proteins involved in the TCA cycle and oxidative phosphorylation (OXPHOS). Several of these proteins have mitochondrial targeting sequences (MTSs) that in part confer an increased dependency on eIF5AH. In macrophages, metabolic switching between OXPHOS and glycolysis supports divergent functional fates stimulated by activation signals. In these cells, hypusination of eIF5A appears to be dynamically regulated after activation. Using in vivo and in vitro models, we show that acute inhibition of this pathway blunts OXPHOS-dependent alternative activation, while leaving aerobic glycolysis-dependent classical activation intact. These results might have implications for therapeutically controlling macrophage activation by targeting the polyamine-eIF5A-hypusine axis.

Regulatory T cells (Tregs) subdue immune responses. Central to Treg activation are changes in lipid metabolism that support their survival and function. Fatty acid binding proteins (FABPs) are a family of lipid chaperones required to facilitate uptake and intracellular lipid trafficking. One family member, FABP5, is expressed in T cells, but its function remains unclear. We show that in Tregs, genetic or pharmacologic inhibition of FABP5 function causes mitochondrial changes underscored by decreased OXPHOS, impaired lipid metabolism, and loss of cristae structure. FABP5 inhibition in Tregs triggers mtDNA release and consequent cGAS-STING-dependent type I IFN signaling, which induces heightened production of the regulatory cytokine IL-10 and promotes Treg suppressive activity. We find evidence of this pathway, along with correlative mitochondrial changes in tumor infiltrating Tregs, which may underlie enhanced immunosuppression in the tumor microenvironment. Together, our data reveal that FABP5 is a gatekeeper of mitochondrial integrity that modulates Treg function.

Competition for nutrients like glucose can metabolically restrict T cells and contribute to their hyporesponsiveness during cancer. Metabolic adaptation to the surrounding microenvironment is therefore key for maintaining appropriate cell function. For instance, cancer cells use acetate as a substrate alternative to glucose to fuel metabolism and growth. Here, we show that acetate rescues effector function in glucose-restricted CD8+ T cells. Mechanistically, acetate promotes histone acetylation and chromatin accessibility and enhances IFN-γ gene transcription and cytokine production in an acetyl-CoA synthetase (ACSS)-dependent manner. Ex vivo acetate treatment increases IFN-γ production by exhausted T cells, whereas reducing ACSS expression in T cells impairs IFN-γ production by tumor-infiltrating lymphocytes and tumor clearance. Thus, hyporesponsive T cells can be epigenetically remodeled and reactivated by acetate, suggesting that pathways regulating the use of substrates alternative to glucose could be therapeutically targeted to promote T cell function during cancer.

Summary

 T cell receptor (TCR) signaling without CD28 can elicit primary effector T cells, but memory T cells generated during this process are anergic, failing to respond to secondary antigen exposure. We show that, upon T cell activation, CD28 transiently promotes expression of carnitine palmitoyltransferase 1a (Cpt1a), an enzyme that facilitates mitochondrial fatty acid oxidation (FAO), before the first cell division, coinciding with mitochondrial elongation and enhanced spare respiratory capacity (SRC). microRNA-33 (miR33), a target of thioredoxin-interacting protein (TXNIP), attenuates Cpt1a expression in the absence of CD28, resulting in cells that thereafter are metabolically compromised during reactivation or periods of increased bioenergetic demand. Early CD28-dependent mitochondrial engagement is needed for T cells to remodel cristae, develop SRC, and rapidly produce cytokines upon restimulation—cardinal features of protective memory T cells. Our data show that initial CD28 signals during T cell activation prime mitochondria with latent metabolic capacity that is essential for future T cell responses.

Sulfasalazine, a disease-modifying antirheumatic drug (DMARD), has a well established role in the treatment of patients with rheumatoid arthritis, spondyloarthritis, and inflammatory bowel disease—diseases in which therapeutic benefit may primarily derive from the drug's inhibitory effect on tumour necrosis factor (TNF) and prostaglandin synthesis. In view of this mechanism, it is of note that several independent studies identified baseline treatment with sulfasalazine or mesalamine as a major risk factor (second only to rituximab and other B cell-depleting therapies) for severe COVID-19 in patients with autoimmune and rheumatic diseases. In the physician-reported case registry of the COVID-19 Global Rheumatology Alliance, use of sulfasalazine was associated with a significantly higher risk of death in patients with COVID-19 (odds ratio [OR] 3·6), which contrasted with that of TNF inhibitors (OR 0·85).1Strangfeld A Schafer M Gianfrancesco MA et al.Factors associated with COVID-19- related death in people with rheumatic diseases: results from the COVID-19 Global Rheumatology Alliance physician-reported registry.Ann Rheum Dis. 2021; 80: 930-942Crossref PubMed Scopus (304) Google Scholar Similarly, data from the SECURE-IBD registry showed an increased risk of severe COVID-19 among patients treated with sulfasalazine (adjusted OR 3·1), but not with TNF inhibitors (OR 0·9).2Brenner EJ Ungaro RC Gearry RB et al.Corticosteroids, but not TNF antagonists, are associated with adverse COVID-19 outcomes in patients with inflammatory bowel diseases: results from an international registry.Gastroenterology. 2020; 159 (91.e3): 481Summary Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (436) Google Scholar In a post-hoc analysis of data from Swedish patients with rheumatoid arthritis, spondyloarthropathies, psoriatic arthritis, or juvenile idiopathic arthritis (n=110 567), increased point estimates for COVID-19-related hospitalisation and intensive care unit admission were seen for patients on sulfasalazine monotherapy (n=4675) compared with patients on any other conventional synthetic DMARD therapy (n=28 621).3Bower H Frisell T Di Giuseppe D et al.Impact of the COVID-19 pandemic on morbidity and mortality in patients with inflammatory joint diseases and in the general population: a nationwide Swedish cohort study.Ann Rheum Dis. 2021; 80: 1086-1093Crossref PubMed Scopus (42) Google Scholar These findings could not be explained by the known mechanisms of action of sulfasalazine; however, recent findings suggest that the association of clinical use of sulfasalazine with poor COVID-19 outcomes could be related to a previously unappreciated ability of the drug to inhibit type I interferon (IFN) production by plasmacytoid dendritic cells.4Grzes KM Sanin DE Kabat AM et al.Plasmacytoid dendritic cell activation is dependent on coordinated expression of distinct amino acid transporters.Immunity. 2021; 54 (30.e7): 2514Summary Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (6) Google Scholar Plasmacytoid dendritic cells sense DNA and single-stranded RNA via toll-like receptors and produce type I IFNs in response. These cells play an important role in immunity to viruses, including SARS-CoV-2, where they have been implicated in protective type I IFN-mediated immune responses in individuals who are infected but remain asymptomatic.5Onodi F Bonnet-Madin L Meertens L et al.SARS-CoV-2 induces human plasmacytoid predendritic cell diversification via UNC93B and IRAK4.J Exp Med. 2021; 218e20201387Crossref PubMed Google Scholar However, plasmacytoid dendritic cells are also implicated in autoimmune diseases, such as systemic lupus erythematosus (SLE) and dermatomyositis—diseases in which type I IFN production plays a role in immunopathogenesis. Recent work revealed a pivotal role for interleukin (IL)-3-driven JAK2-STAT5 signalling for subsequent toll-like receptor-induced plasmacytoid dendritic cell activation and showed that activated plasmacytoid dendritic cells express SLC7A11 (cystine/glutamate transporter), a subunit of the xc− amino acid transporter that imports cystine for the production of the crucial anti-oxidant glutathione.4Grzes KM Sanin DE Kabat AM et al.Plasmacytoid dendritic cell activation is dependent on coordinated expression of distinct amino acid transporters.Immunity. 2021; 54 (30.e7): 2514Summary Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (6) Google Scholar SLC7A11 is important in part because it is a negative regulator of iron-dependent programmed cell death (ferroptosis).6Figuera-Losada M Thomas AG Stathis M Stockwell BR Rojas C Slusher BS Development of a primary microglia screening assay and its use to characterize inhibition of system xc(-) by erastin and its analogs.Biochem Biophys Rep. 2017; 9: 266-272PubMed Google Scholar To address the unmet need for diseases such as SLE, we explored new treatment possibilities that target plasmacytoid dendritic cells and tested combinations of inhibitors with known selectivity for targets within the plasmacytoid dendritic cell activation pathway, including JAK2 (eg, baricitinib) and xc− (eg, sulfasalazine6Figuera-Losada M Thomas AG Stathis M Stockwell BR Rojas C Slusher BS Development of a primary microglia screening assay and its use to characterize inhibition of system xc(-) by erastin and its analogs.Biochem Biophys Rep. 2017; 9: 266-272PubMed Google Scholar). Sulfasalazine strongly inhibited the production of type I IFN at clinically relevant concentrations, and the combination of sulfasalazine and a JAK2 inhibitor had a synergistic effect.4Grzes KM Sanin DE Kabat AM et al.Plasmacytoid dendritic cell activation is dependent on coordinated expression of distinct amino acid transporters.Immunity. 2021; 54 (30.e7): 2514Summary Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (6) Google Scholar Although sulfasalazine affects additional pathways, we believe that it is the ability to inhibit xc− that confers its inhibitory effect on plasmacytoid dendritic cells (figure). This observation supports the possible repurposing of sulfasalazine, a relatively cheap oral drug, for the treatment of type I IFN-driven autoimmune and autoinflammatory diseases. At the same time, it might provide a mechanistic explanation for the as-yet unexplained epidemiological association between sulfasalazine and COVID-19 severity, since sulfasalazine-mediated impairment of type I IFN production by plasmacytoid dendritic cells would be expected to inhibit effective early immune responses during SARS-CoV-2 infection. Indeed, the reported increase in risk of herpes zoster in patients with rheumatoid arthritis taking sulfasalazine might indicate a broader effect of this drug on immunity to viral infections than previously appreciated. The realisation, over the space of a few months, that sulfasalazine is an inhibitor of type I IFN production by plasmacytoid dendritic cells and also a risk factor for death due to SARS-CoV-2 infection;1Strangfeld A Schafer M Gianfrancesco MA et al.Factors associated with COVID-19- related death in people with rheumatic diseases: results from the COVID-19 Global Rheumatology Alliance physician-reported registry.Ann Rheum Dis. 2021; 80: 930-942Crossref PubMed Scopus (304) Google Scholar that autoantibodies against type I IFNs are observed in about 20% of critical COVID-19 cases and deaths;8Bastard P Gervais A Le Voyer T et al.Autoantibodies neutralizing type I IFNs are present in ∼4% of uninfected individuals over 70 years old and account for ∼20% of COVID-19 deaths.Sci Immunol. 2021; 6eabl4340Crossref Scopus (158) Google Scholar and that SLE risk alleles associated with high type I IFN production are associated with asymptomatic SARS-CoV-2 infection (ie, potentially less severe disease),9Nln I Fernandez-Ruiz R Wampler Muskardin TL et al.Interferon pathway lupus risk alleles modulate risk of death from acute COVID-19.Transl Res. 2022; (published online Jan 31)https://doi.org/10.1016/j.trsl.2022.01.007Summary Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1) Google Scholar have helped crystalise understanding of autoimmunity as it relates to anti-viral immunity. The data strongly support a role for type I IFN in resistance to SARS-CoV-2 and highlight the possibility that autoimmune diseases related to increased type I IFN production might be a consequence of evolutionary pressure to maintain genetic alleles that ensure resistance to viral pathogens. This view has consequences for the treatment of patients with autoimmune diseases during viral pandemics, including the therapeutic use of antibodies that inhibit the type I interferon receptor, as used in the treatment of patients with SLE. Further, the findings on sulfasalazine are surprising. Previously, little attention has been paid to the use of this drug for the treatment of autoimmune and rheumatic diseases in which type I IFNs are strongly implicated. To our knowledge, sulfasalazine has never been systematically explored for the treatment of SLE, possibly due to concerns about potential drug-induced autoimmunity and intolerance to sulfa drugs. However, three studies reported high rates of complete responses (including some lasting for years) in patients with refractory cutaneous lupus treated with sulfasalazine.10Artuz F Lenk N Deniz N Alli N Efficacy of sulfasalazine in discoid lupus erythematosus.Int J Dermatol. 1996; 35: 746-768Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar With a more detailed understanding of the mechanism of action of sulfasalazine, related to its ability to inhibit type I IFN production by modulating plasmacytoid dendritic cell function,4Grzes KM Sanin DE Kabat AM et al.Plasmacytoid dendritic cell activation is dependent on coordinated expression of distinct amino acid transporters.Immunity. 2021; 54 (30.e7): 2514Summary Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (6) Google Scholar the possibility of repurposing this drug for diseases such as SLE, dermatomyositis, Sjögren's syndrome, and monogenic interferonopathies—for which there is an unmet need for affordable, effective therapeutics—should be considered. MFK was supported by Jerome L Greene Foundation Scholar and Discovery Awards and the Peter and Carmen Lucia Buck Foundation Myositis Discovery Fund. EJP is a founder and advisor of Rheos Medicines. KMG and EJP have filed, in Germany, a provisional application for an international patent titled “Combined inhibition of amino acid transporters for inhibiting human plasmacytoid dendritic cell activity during autoimmunity” (PCT/EP2021/084428). All other authors declare no competing interests.

Abstract Macrophages populate every organ during homeostasis and disease, displaying features of tissue imprinting and heterogeneous activation. The disjointed picture of macrophage biology that emerged from these observations are a barrier for integration across models or with in vitro macrophage activation paradigms. We set out to contextualize macrophage heterogeneity across mouse tissues and inflammatory conditions, specifically aiming to define a common framework of macrophage activation. We built a predictive model with which we mapped the activation of macrophages across 12 tissues and 25 biological conditions, finding a striking commonality and finite number of transcriptional profiles, which we modelled as defined stages along four conserved activation paths. We verified this model with adoptive cell transfer experiments and identified transient RELMɑ expression as a feature of macrophage tissue engraftment. We propose that this integrative approach of macrophage classification allows the establishment of a common predictive framework of macrophage activation in inflammation and homeostasis. One Sentence Summary We propose an integrative approach of macrophage classification that allows the establishment of a common framework of macrophage activation in inflammation and homeostasis.

We report here a central role for polyamines in T cell differentiation and function. Deficiency in ornithine decarboxylase (ODC), a critical enzyme for polyamine synthesis, resulted in a profound failure of CD4+ T cells to adopt correct subset specification, underscored by ectopic expression of multiple cytokines and lineage-defining transcription factors across TH1, TH2, TH17, and Treg polarizing conditions, and enhanced colitogenic potential. T cells deficient in deoxyhypusine synthase (DHPS) or deoxyhypusine hydroxylase (DOHH), which sequentially utilize polyamines to generate hypusine, phenocopied Odc -deficient T cells, and mice in which T cells lacked Dhps or Dohh developed colitis. Polyamine-hypusine pathway enzyme deficiency caused widespread chromatin and transcriptional dysregulation accompanied by alterations in histone methylation, histone acetylation, and TCA cycle metabolites. Epigenetic modulation by 2-hydroxyglutarate, or histone acetyltransferase inhibition, restored CD4+ T cell subset specification. Thus, polyamine synthesis via hypusine is critical for maintaining the epigenome to focus TH cell subset fidelity.

Abstract Immune cells must adapt to different environments during the course of an immune response. We studied the adaptation of CD8 + T cells to the intestinal microenvironment and how this process shapes their residency in the gut. CD8 + T cells progressively remodel their transcriptome and surface phenotype as they acquire gut residency, and downregulate expression of mitochondrial genes. Human and mouse gut-resident CD8 + T cells have reduced mitochondrial mass, but maintain a viable energy balance to sustain their function. We found that the intestinal microenvironment is rich in prostaglandin E 2 (PGE 2 ), which drives mitochondrial depolarization in CD8 + T cells. Consequently, these cells engage autophagy to clear depolarized mitochondria, and enhance glutathione synthesis to scavenge reactive oxygen species (ROS) that result from mitochondrial depolarization. Impairing PGE 2 sensing promotes CD8 + T cell accumulation in the gut, while tampering with autophagy and glutathione negatively impacts the T cell population. Thus, a PGE 2 -autophagy-glutathione axis defines the metabolic adaptation of CD8 + T cells to the intestinal microenvironment, to ultimately influence the T cell pool.

Abstract Little is known about the effects of high fat diet (HFD)-induced obesity on resident colonic lamina propria (LP) macrophages (LPMs) function and metabolism. Here, we report that obesity and diabetes resulted in increased macrophage infiltration in the colon. These macrophages exhibited the residency phenotype CX3CR1 hi MHCII hi , and were CD4 − TIM4 − . During HFD, resident colonic LPM exhibited a lipid metabolism gene expression signature that overlapped that used to define lipid associated macrophages (LAMs). Via single cell RNA sequencing, we identified a sub-cluster of macrophages, increased in HDF, that were responsible for the LAM signature. Compared to other macrophages in the colon, these cells were characterized by elevated glycolysis, phagocytosis and efferocytosis signatures. CX3CR1 hi MHCII hi colonic resident LPMs had fewer lipid droplets (LD) and decreased triacylglycerol (TAG) content compared to equivalent cells in lean mice, and exhibited increased phagocytic capacity, suggesting that HFD induces adaptive responses in LPMs to limit bacterial translocation.