Failure of T cells to protect against cancer is thought to result from lack of antigen recognition, chronic activation, and/or suppression by other cells. Using a mouse sarcoma model, we show that glucose consumption by tumors metabolically restricts T cells, leading to their dampened mTOR activity, glycolytic capacity, and IFN-γ production, thereby allowing tumor progression. We show that enhancing glycolysis in an antigenic “regressor” tumor is sufficient to override the protective ability of T cells to control tumor growth. We also show that checkpoint blockade antibodies against CTLA-4, PD-1, and PD-L1, which are used clinically, restore glucose in tumor microenvironment, permitting T cell glycolysis and IFN-γ production. Furthermore, we found that blocking PD-L1 directly on tumors dampens glycolysis by inhibiting mTOR activity and decreasing expression of glycolysis enzymes, reflecting a role for PD-L1 in tumor glucose utilization. Our results establish that tumor-imposed metabolic restrictions can mediate T cell hyporesponsiveness during cancer.

A “switch” from oxidative phosphorylation (OXPHOS) to aerobic glycolysis is a hallmark of T cell activation and is thought to be required to meet the metabolic demands of proliferation. However, why proliferating cells adopt this less efficient metabolism, especially in an oxygen-replete environment, remains incompletely understood. We show here that aerobic glycolysis is specifically required for effector function in T cells but that this pathway is not necessary for proliferation or survival. When activated T cells are provided with costimulation and growth factors but are blocked from engaging glycolysis, their ability to produce IFN-γ is markedly compromised. This defect is translational and is regulated by the binding of the glycolysis enzyme GAPDH to AU-rich elements within the 3′ UTR of IFN-γ mRNA. GAPDH, by engaging/disengaging glycolysis and through fluctuations in its expression, controls effector cytokine production. Thus, aerobic glycolysis is a metabolically regulated signaling mechanism needed to control cellular function.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJhM2I5OTM1ZjBhZWZhYjM1MWY1MDZlZDlkYWVkNzg5YSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5MTkwOTc1fQ.Rk968c2WBOuzrhkdbM7O8l0YMmSM6DWtCEBl8_Gr6cTQImoR1WcofYMdMe2Z_IzGn0nhT_SNEXWQuf41H-jChxIhXKX0_gypqx9auOj2f45anwLGJfht0iQw1YPjF_7lYQRiFPnyqai592ufqVyjbX43_5womu8j_YMZeCba8mgfmwmh8MbUiVhPkAVJ-fVMb3J2JS514In4JoKcuiqbeRv6GCSbyXDYXAupAZGppbnSTnbHXdCLvpWmmFG4wM9_kPt0GnQL8OY632KdvmPsso3JO5lNNbsQcoRmpki3EDBdPPPpsSQlpc9o-RN9zFHIEkY3tFP7Sh7JExPJYbcVjA(mp4, (70.66 MB) Download video

Macrophage polarization involves a coordinated metabolic and transcriptional rewiring that is only partially understood. By using an integrated high-throughput transcriptional-metabolic profiling and analysis pipeline, we characterized systemic changes during murine macrophage M1 and M2 polarization. M2 polarization was found to activate glutamine catabolism and UDP-GlcNAc-associated modules. Correspondingly, glutamine deprivation or inhibition of N-glycosylation decreased M2 polarization and production of chemokine CCL22. In M1 macrophages, we identified a metabolic break at Idh, the enzyme that converts isocitrate to alpha-ketoglutarate, providing mechanistic explanation for TCA cycle fragmentation. (13)C-tracer studies suggested the presence of an active variant of the aspartate-arginosuccinate shunt that compensated for this break. Consistently, inhibition of aspartate-aminotransferase, a key enzyme of the shunt, inhibited nitric oxide and interleukin-6 production in M1 macrophages, while promoting mitochondrial respiration. This systems approach provides a highly integrated picture of the physiological modules supporting macrophage polarization, identifying potential pharmacologic control points for both macrophage phenotypes.

CD8+ T cells undergo major metabolic changes upon activation, but how metabolism influences the establishment of long-lived memory T cells after infection remains a key question. We have shown here that CD8+ memory T cells, but not CD8+ T effector (Teff) cells, possessed substantial mitochondrial spare respiratory capacity (SRC). SRC is the extra capacity available in cells to produce energy in response to increased stress or work and as such is associated with cellular survival. We found that interleukin-15 (IL-15), a cytokine critical for CD8+ memory T cells, regulated SRC and oxidative metabolism by promoting mitochondrial biogenesis and expression of carnitine palmitoyl transferase (CPT1a), a metabolic enzyme that controls the rate-limiting step to mitochondrial fatty acid oxidation (FAO). These results show how cytokines control the bioenergetic stability of memory T cells after infection by regulating mitochondrial metabolism.

Activated effector T (TE) cells augment anabolic pathways of metabolism, such as aerobic glycolysis, while memory T (TM) cells engage catabolic pathways, like fatty acid oxidation (FAO). However, signals that drive these differences remain unclear. Mitochondria are metabolic organelles that actively transform their ultrastructure. Therefore, we questioned whether mitochondrial dynamics controls T cell metabolism. We show that TE cells have punctate mitochondria, while TM cells maintain fused networks. The fusion protein Opa1 is required for TM, but not TE cells after infection, and enforcing fusion in TE cells imposes TM cell characteristics and enhances antitumor function. Our data suggest that, by altering cristae morphology, fusion in TM cells configures electron transport chain (ETC) complex associations favoring oxidative phosphorylation (OXPHOS) and FAO, while fission in TE cells leads to cristae expansion, reducing ETC efficiency and promoting aerobic glycolysis. Thus, mitochondrial remodeling is a signaling mechanism that instructs T cell metabolic programming.

Remodeling of the tricarboxylic acid (TCA) cycle is a metabolic adaptation accompanying inflammatory macrophage activation. During this process, endogenous metabolites can adopt regulatory roles that govern specific aspects of inflammatory response, as recently shown for succinate, which regulates the pro-inflammatory IL-1β-HIF-1α axis. Itaconate is one of the most highly induced metabolites in activated macrophages, yet its functional significance remains unknown. Here, we show that itaconate modulates macrophage metabolism and effector functions by inhibiting succinate dehydrogenase-mediated oxidation of succinate. Through this action, itaconate exerts anti-inflammatory effects when administered in vitro and in vivo during macrophage activation and ischemia-reperfusion injury. Using newly generated Irg1−/− mice, which lack the ability to produce itaconate, we show that endogenous itaconate regulates succinate levels and function, mitochondrial respiration, and inflammatory cytokine production during macrophage activation. These studies highlight itaconate as a major physiological regulator of the global metabolic rewiring and effector functions of inflammatory macrophages.

Abstract Dendritic cells (DCs) are key regulators of innate and acquired immunity. The maturation of DCs is directed by signal transduction events downstream of toll-like receptors (TLRs) and other pattern recognition receptors. Here, we demonstrate that, in mouse DCs, TLR agonists stimulate a profound metabolic transition to aerobic glycolysis, similar to the Warburg metabolism displayed by cancer cells. This metabolic switch depends on the phosphatidyl inositol 3′-kinase/Akt pathway, is antagonized by the adenosine monophosphate (AMP)–activated protein kinase (AMPK), and is required for DC maturation. The metabolic switch induced by DC activation is antagonized by the antiinflammatory cytokine interleukin-10. Our data pinpoint TLR-mediated metabolic conversion as essential for DC maturation and function and reveal it as a potential target for intervention in the control of excessive inflammation and inappropriately regulated immune responses.

Alternatively activated (M2) macrophages use fatty acid oxidation for their metabolic needs. Pearce and colleagues show that triacylglycerols metabolized by lysosomal acid lipase are required for the M2 activation of and function of macrophages. Alternative (M2) activation of macrophages driven via the α-chain of the receptor for interleukin 4 (IL-4Rα) is important for immunity to parasites, wound healing, the prevention of atherosclerosis and metabolic homeostasis. M2 polarization is dependent on fatty acid oxidation (FAO), but the source of the fatty acids that support this metabolic program has not been clear. We found that the uptake of triacylglycerol substrates via the scavenger receptor CD36 and their subsequent lipolysis by lysosomal acid lipase (LAL) was important for the engagement of elevated oxidative phosphorylation, enhanced spare respiratory capacity (SRC), prolonged survival and expression of genes that together define M2 activation. Inhibition of lipolysis suppressed M2 activation during infection with a parasitic helminth and blocked protective responses to this pathogen. Our findings delineate a critical role for cell-intrinsic lysosomal lipolysis in M2 activation.

In the mouse, infection with Schistosoma mansoni results in an egg-producing infection and associated disease, whereas vaccination with attenuated larval stages produces a substantial and specific immunity in the absence of egg-induced pathology. Preliminary data showing enhanced interleukin-5 (IL-5) production by T cells from infected mice and interferon gamma (IFN-gamma) synthesis by cells from vaccinated animals (7), suggested differential CD4+ subset stimulation by the different parasite stimuli. To confirm this hypothesis, lymphocytes from vaccinated or infected animals were compared for their ability to produce IFN-gamma and IL-2 (secreted by Th1 cells) as compared with IL-4 and IL-5 (characteristic Th2 cytokines). After stimulation with specific antigen or mitogen, T cells from vaccinated mice or prepatently infected animals responded primarily with Th1 lymphokines, whereas lymphocytes from patently infected mice instead produced Th2 cytokines. The Th2 response in infected animals was shown to be induced by schistosome eggs and directed largely against egg antigens, whereas the Th1 reactivity in vaccinated mice was triggered primarily by larval antigens. Interestingly, Th1 responses in mice carrying egg-producing infections were found to be profoundly downregulated. Moreover, the injection of eggs into vaccinated mice resulted in a reduction of antigen and mitogen-stimulated Th1 function accompanied by a coincident expression of Th2 responses. Together, the data suggest that coincident with the induction of Th2 responses, murine schistosome infection results in an inhibition of potentially protective Th1 function. This previously unrecognized downregulation of Th1 cytokine production may be an important immunological consequence of helminth infection related to host adaptation.

BALB/c mice can be protected against a normally fatal Leishmania major infection by immunization with a partially purified, soluble subfraction of the parasite (fraction 9). In this study, we demonstrate that a T cell line established against fraction 9, designated line 9, transfers protection equivalent to that obtained by active immunization. In contrast, T cell lines (lines 1 and 9.2) responsive to a nonprotective soluble fraction (fraction 1) not only failed to protect BALB/c mice against L. major, but exacerbated the infection. Most importantly, in addition to differing in their antigen specificity, protective and exacerbative T cells lines could be distinguished on the basis of the lymphokines produced, a characteristic previously used to separate murine Th cells into two subsets, designated Th1 and Th2. We found that the protective cell line, line 9, displayed the Th1 property of secreting IL-2 and IFN-gamma, while the exacerbating lines secreted IL-4 and IL-5, a characteristic of Th2 cells. Our results demonstrate that Th1 and Th2 cells may have dramatically different effects on the outcome of an infection, and suggest that susceptibility and resistance in experimental leishmaniasis may depend upon a balance between the Th subsets induced.