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.

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.

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.

Abstract Foamy macrophages, which have prominent lipid droplets (LDs), are found in a variety of disease states. Toll-like receptor agonists drive triacylglycerol (TG)-rich LD development in macrophages. Here we explore the basis and significance of this process. Our findings indicate that LD development is the result of metabolic commitment to TG synthesis on a background of decreased fatty acid oxidation. TG synthesis is essential for optimal inflammatory macrophage activation as its inhibition, which prevents LD development, has marked effects on the production of inflammatory mediators, including IL-1β, IL-6 and PGE2, and on phagocytic capacity. The failure of inflammatory macrophages to make PGE2 when TG-synthesis is inhibited is critical for this phenotype, as addition of exogenous PGE2 is able to reverse the anti-inflammatory effects of TG synthesis inhibition. These findings place LDs in a position of central importance in inflammatory macrophage activation.

Abstract Fatty acid oxidation (FAO) is upregulated in IL-4-stimulated (alternatively activated) macrophages (M(IL-4)). We examined the effect of loss of function of the enzyme Cpt1a, which facilitates the entry of long chain fatty acids (FA) into mitochondria for FAO, on alternative activation. Expression of M(IL-4) markers ARG1, CD301 and RELMα, was impaired in tamoxifen-treated ERT2Cre x Cpt1a fl/fl macrophages and in macrophages expressing shRNA targeting Cpt1a (Cpt1a- shRNA). In contrast, Vavi Cre x Cpt1a fl/fl and Lysm Cre x Cpt1a fl/fl M(IL-4) responded normally to IL-4. Reduced alternative activation due to Cpt1a loss of function was linked to decreased cellular pools of α-ketoglutarate, glutamate, and glutathione, diminished commitment of glucose carbon to serine/glycine synthesis, and decreased expression of genes in the Nrf2-oxidative stress response pathway. Consistent with this, reactive oxygen species were increased. Restoration of glutathione pools with N-acetyl cysteine normalized oxidative stress and allowed alternative activation in the face of Cpt1a -deficiency, pointing to a role for FAO in the control of ROS and as being important for alternative activation. In Vavi Cre x Cpt1a fl/fl M(IL-4), glutamine uptake was increased, compensating for the loss of FAO to meet necessary metabolic demands, to allow alternative activation. The data indicate that macrophages are able to regulate glutamine metabolism to compensate for chronic disruption of FAO to meet metabolic needs.

Summary Acute myeloid leukemia (AML) is an aggressive cancer with very poor outcomes. To identify additional drivers of leukemogenesis, we analyzed sequence data from 1,727 unique individual AML patients, which revealed mutations in ubiquitin ligase family genes in 11.2% of adult AML samples with mutual exclusivity. The Skp1/Cul1/Fbox (SCF) E3 ubiquitin ligase complex gene FBXO11 was the most significantly downregulated gene of the SCF complex in AML. FBXO11 catalyzes K63-linked ubiquitination of a novel target, LONP1, which promotes entry into mitochondria, thereby enhancing mitochondrial respiration. Reduced mitochondrial respiration secondary to FBXO11 depletion imparts myeloid-biased stem cell properties in primary CD34 + hematopoietic stem progenitor cells (HSPC). In a human xenograft model, depletion of FBXO11 cooperated with AML1-ETO and mutant KRAS G12D to generate serially transplantable AML enriched for primitive cells. Our findings suggest that reduced FBXO11 primes HSPC for myeloid-biased self-renewal through attenuation of LONP1-mediated regulation of mitochondrial respiration.

Clonal heterogeneity underlies diverse biological processes, including cancer progression, cell differentiation, and microbial evolution. Cell tagging strategies with DNA barcodes have recently enabled analysis of clone size dynamics and clone-restricted transcriptomic landscapes of heterogeneous populations. However, isolating a target clone that displays a specific phenotype from a complex population remains challenging. Here, we present a new multi-kingdom genetic barcoding system, CloneSelect, in which a target cell clone can be triggered to express a reporter gene for isolation through barcode-specific CRISPR base editing. In CloneSelect, cells are first barcoded and propagated so their subpopulation can be subjected to a given experiment. A clone that shows a phenotype or genotype of interest at a given time can then be isolated from the initial or subsequent cell pools stored throughout the experimental timecourse. This novel CRISPR-barcode genetics platform provides many new ways of analyzing and manipulating mammalian, yeast, and bacterial systems. Teaser A multi-kingdom CRISPR-activatable barcoding system enables the precise isolation of target barcode-labeled clones from a complex cell population.

SUMMARY Cancer immunotherapy using antigen-specific CD8 + T cells depends on long-lasting anti-tumor function of the in vitro expanded T cells. T cell function is intricately linked to the activity of many metabolic pathways directly impacting the ability of CD8 + T cells to kill tumor cells. Metabolic conditioning in vitro better prepares CD8 + T cells for in vivo survival, tumor infiltration and tumor clearance. The mechanism underlying in vitro metabolic conditioning-induced augmented in vivo T cell function remains poorly understood. Here we show that metabolic conditioning of CD8 + effector T cells induces an oxidized cellular redox balance at least in part mediated by increased mitochondrial reactive oxygen species (ROS). This redox shift contributes to enhanced in vivo persistence and tumor clearance. In human tumour-infiltrating T cells, altering the redox balance ex-vivo reinvigorated pro-inflammatory cytokine production. Therefore, we believe that redox alterations present a targetable pathway to increase T cell-based anti-tumor immunotherapy efficacy.

Mechanical stress and pathological signaling trigger the activation of fibroblasts to myofibroblasts, which impacts extracellular matrix composition, disrupts normal wound healing, and can generate deleterious fibrosis. Myocardial fibrosis independently promotes cardiac arrhythmias, sudden cardiac arrest, and contributes to the severity of heart failure. Fibrosis can also alter cell-to-cell communication and increase myocardial stiffness which eventually may lead to lusitropic and inotropic cardiac dysfunction. Human induced pluripotent stem cell derived cardiac fibroblasts (hiPSC-CFs) have the potential to enhance clinical relevance in precision disease modeling by facilitating the study of patient-specific phenotypes. However, it is unclear whether hiPSC-CFs can be activated to become myofibroblasts akin to primary cells, and the key signaling mechanisms in this process remain unidentified.