Activated T cells engage aerobic glycolysis and anabolic metabolism for growth, proliferation, and effector functions. We propose that a glucose-poor tumor microenvironment limits aerobic glycolysis in tumor-infiltrating T cells, which suppresses tumoricidal effector functions. We discovered a new role for the glycolytic metabolite phosphoenolpyruvate (PEP) in sustaining T cell receptor-mediated Ca2+-NFAT signaling and effector functions by repressing sarco/ER Ca2+-ATPase (SERCA) activity. Tumor-specific CD4 and CD8 T cells could be metabolically reprogrammed by increasing PEP production through overexpression of phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (PCK1), which bolstered effector functions. Moreover, PCK1-overexpressing T cells restricted tumor growth and prolonged the survival of melanoma-bearing mice. This study uncovers new metabolic checkpoints for T cell activity and demonstrates that metabolic reprogramming of tumor-reactive T cells can enhance anti-tumor T cell responses, illuminating new forms of immunotherapy.

Evidence from mouse chronic viral infection models suggests that CD8+ T cell subsets characterized by distinct expression levels of the receptor PD-1 diverge in their state of exhaustion and potential for reinvigoration by PD-1 blockade. However, it remains unknown whether T cells in human cancer adopt a similar spectrum of exhausted states based on PD-1 expression levels. We compared transcriptional, metabolic and functional signatures of intratumoral CD8+ T lymphocyte populations with high (PD-1T), intermediate (PD-1N) and no PD-1 expression (PD-1-) from non-small-cell lung cancer patients. PD-1T T cells showed a markedly different transcriptional and metabolic profile from PD-1N and PD-1- lymphocytes, as well as an intrinsically high capacity for tumor recognition. Furthermore, while PD-1T lymphocytes were impaired in classical effector cytokine production, they produced CXCL13, which mediates immune cell recruitment to tertiary lymphoid structures. Strikingly, the presence of PD-1T cells was strongly predictive for both response and survival in a small cohort of non-small-cell lung cancer patients treated with PD-1 blockade. The characterization of a distinct state of tumor-reactive, PD-1-bright lymphocytes in human cancer, which only partially resembles that seen in chronic infection, provides potential avenues for therapeutic intervention.

How glutamine metabolism orchestrates macrophage activation is unclear. Ho and colleagues show glutamine metabolism tailors the immune responses of macrophages through metabolic and epigenetic reprogramming. Glutamine metabolism provides synergistic support for macrophage activation and elicitation of desirable immune responses; however, the underlying mechanisms regulated by glutamine metabolism to orchestrate macrophage activation remain unclear. Here we show that the production of α-ketoglutarate (αKG) via glutaminolysis is important for alternative (M2) activation of macrophages, including engagement of fatty acid oxidation (FAO) and Jmjd3-dependent epigenetic reprogramming of M2 genes. This M2-promoting mechanism is further modulated by a high αKG/succinate ratio, whereas a low ratio strengthens the proinflammatory phenotype in classically activated (M1) macrophages. As such, αKG contributes to endotoxin tolerance after M1 activation. This study reveals new mechanistic regulations by which glutamine metabolism tailors the immune responses of macrophages through metabolic and epigenetic reprogramming.

Depleting regulatory T cells (Treg cells) to counteract immunosuppressive features of the tumor microenvironment (TME) is an attractive strategy for cancer treatment; however, autoimmunity due to systemic impairment of their suppressive function limits its therapeutic potential. Elucidating approaches that specifically disrupt intratumoral Treg cells is direly needed for cancer immunotherapy. We found that CD36 was selectively upregulated in intrautumoral Treg cells as a central metabolic modulator. CD36 fine-tuned mitochondrial fitness via peroxisome proliferator-activated receptor-β signaling, programming Treg cells to adapt to a lactic acid-enriched TME. Genetic ablation of Cd36 in Treg cells suppressed tumor growth accompanied by a decrease in intratumoral Treg cells and enhancement of antitumor activity in tumor-infiltrating lymphocytes without disrupting immune homeostasis. Furthermore, CD36 targeting elicited additive antitumor responses with anti-programmed cell death protein 1 therapy. Our findings uncover the unexplored metabolic adaptation that orchestrates the survival and functions of intratumoral Treg cells, and the therapeutic potential of targeting this pathway for reprogramming the TME. Tumor environments are highly acidic due to high concentrations of lactic acid. Ho and colleagues report that tumor-infiltrating regulatory T cells adapt to this tumor environment by upregulating expression of CD36, which allows them to use fatty acids to fuel their metabolism.

A common metabolic alteration in the tumor microenvironment (TME) is lipid accumulation, a feature associated with immune dysfunction. Here, we examined how CD8+ tumor infiltrating lymphocytes (TILs) respond to lipids within the TME. We found elevated concentrations of several classes of lipids in the TME and accumulation of these in CD8+ TILs. Lipid accumulation was associated with increased expression of CD36, a scavenger receptor for oxidized lipids, on CD8+ TILs, which also correlated with progressive T cell dysfunction. Cd36-/- T cells retained effector functions in the TME, as compared to WT counterparts. Mechanistically, CD36 promoted uptake of oxidized low-density lipoproteins (OxLDL) into T cells, and this induced lipid peroxidation and downstream activation of p38 kinase. Inhibition of p38 restored effector T cell functions in vitro, and resolution of lipid peroxidation by overexpression of glutathione peroxidase 4 restored functionalities in CD8+ TILs in vivo. Thus, an oxidized lipid-CD36 axis promotes intratumoral CD8+ T cell dysfunction and serves as a therapeutic avenue for immunotherapies.

The metabolic challenges present in tumors attenuate the metabolic fitness and antitumor activity of tumor-infiltrating T lymphocytes (TILs). However, it remains unclear whether persistent metabolic insufficiency can imprint permanent T cell dysfunction. We found that TILs accumulated depolarized mitochondria as a result of decreased mitophagy activity and displayed functional, transcriptomic and epigenetic characteristics of terminally exhausted T cells. Mechanistically, reduced mitochondrial fitness in TILs was induced by the coordination of T cell receptor stimulation, microenvironmental stressors and PD-1 signaling. Enforced accumulation of depolarized mitochondria with pharmacological inhibitors induced epigenetic reprogramming toward terminal exhaustion, indicating that mitochondrial deregulation caused T cell exhaustion. Furthermore, supplementation with nicotinamide riboside enhanced T cell mitochondrial fitness and improved responsiveness to anti-PD-1 treatment. Together, our results reveal insights into how mitochondrial dynamics and quality orchestrate T cell antitumor responses and commitment to the exhaustion program. Ho and colleagues report that mitochondrial dysfunction and impaired mitophagy triggered by the tumor microenvironment lead to subsequent epigenetic changes and cause permanent T cell exhaustion and dysfunction.