Obesity is a major cancer risk factor, but how differences in systemic metabolism change the tumor microenvironment (TME) and impact anti-tumor immunity is not understood. Here, we demonstrate that high-fat diet (HFD)-induced obesity impairs CD8+ T cell function in the murine TME, accelerating tumor growth. We generate a single-cell resolution atlas of cellular metabolism in the TME, detailing how it changes with diet-induced obesity. We find that tumor and CD8+ T cells display distinct metabolic adaptations to obesity. Tumor cells increase fat uptake with HFD, whereas tumor-infiltrating CD8+ T cells do not. These differential adaptations lead to altered fatty acid partitioning in HFD tumors, impairing CD8+ T cell infiltration and function. Blocking metabolic reprogramming by tumor cells in obese mice improves anti-tumor immunity. Analysis of human cancers reveals similar transcriptional changes in CD8+ T cell markers, suggesting interventions that exploit metabolism to improve cancer immunotherapy.

Cancer cells put ammonia back to work Ammonia, often considered a metabolic waste product, can be recycled to build new amino acids. Rapidly proliferating cells produce extracellular nitrogen. Spinelli et al. used metabolic tracing of 15 N to follow the fate of extracellular ammonia and its incorporation into more than 200 components of the nitrogen metabolome (see the Perspective by Dang). Accumulation of ammonia enabled glutamate dehydrogenase to function in reductive amination, which allowed incorporation of nitrogen from ammonia back into amino acids. Experiments in mice also showed incorporation of ammonia into glutamate, aspartate, and proline. Science , this issue p. 941 ; see also p. 862

Oxygen sensing is central to metazoan biology and has implications for human disease. Mammalian cells express multiple oxygen-dependent enzymes called 2-oxoglutarate (OG)-dependent dioxygenases (2-OGDDs), but they vary in their oxygen affinities and hence their ability to sense oxygen. The 2-OGDD histone demethylases control histone methylation. Hypoxia increases histone methylation, but whether this reflects direct effects on histone demethylases or indirect effects caused by the hypoxic induction of the HIF (hypoxia-inducible factor) transcription factor or the 2-OG antagonist 2-hydroxyglutarate (2-HG) is unclear. Here, we report that hypoxia promotes histone methylation in a HIF- and 2-HG-independent manner. We found that the H3K27 histone demethylase KDM6A/UTX, but not its paralog KDM6B, is oxygen sensitive. KDM6A loss, like hypoxia, prevented H3K27 demethylation and blocked cellular differentiation. Restoring H3K27 methylation homeostasis in hypoxic cells reversed these effects. Thus, oxygen directly affects chromatin regulators to control cell fate.

The SAGA of removing nucleosomal ubiquitin Covalent modifications of histones play a critical role in gene regulation. The addition of the small protein ubiquitin to histone H2B in nucleosomes is a mark of actively transcribed chromatin. Morgan et al. determined the crystal structure of a nucleosome bound by a module of the SAGA protein complex that removes ubiquitin from histone H2B (see the Perspective by Workman). The structure suggests that the deubiquitinating module can remove ubiquitin at multiple points during the transcription cycle. Science , this issue p. 725 ; see also p. 667

Abstract Progressive decline of the adaptive immune system with increasing age coincides with a sharp increase in cancer incidence. In this study, we set out to understand whether deficits in antitumor immunity with advanced age promote tumor progression and/or drive resistance to immunotherapy. We found that multiple syngeneic cancers grew more rapidly in aged versus young adult mice, driven by dysfunctional CD8+ T-cell responses. By systematically mapping immune cell profiles within tumors, we identified loss of tumor antigen–specific CD8+ T cells as a primary feature accelerating the growth of tumors in aged mice and driving resistance to immunotherapy. When antigen-specific T cells from young adult mice were administered to aged mice, tumor outgrowth was delayed and the aged animals became sensitive to PD-1 blockade. These studies reveal how age-associated CD8+ T-cell dysfunction may license tumorigenesis in elderly patients and have important implications for the use of aged mice as pre-clinical models of aging and cancer.

Mammalian cells express multiple 2-oxoglutarate (OG)-dependent dioxygenases, including many chromatin regulators. The oxygen affinities, and hence oxygen sensing capabilities, of the 2-oxoglutarate (OG)-dependent dioxygenases reported to date vary widely. Hypoxia can affect chromatin, but whether this reflects a direct effect on chromatin-modifying dioxygenases, or indirect effects caused by the hypoxic-induction of the HIF transcription factor or the endogenous 2-OG competitor 2-hydroxyglutarate (2-HG), is unclear. Here we report that hypoxia induces a HIF- and 2-HG-independent histone modification signature consistent with KDM inactivation. We also show that the H3K27 histone demethylase KDM6A (also called UTX), but not its paralog KDM6B, is oxygen-sensitive. KDM6A loss, like hypoxia, prevented H3K27me3 erasure and blocked differentiation. Conversely, restoring H3K27me3 homeostasis in hypoxic cells reversed these effects. Therefore, oxygen directly affects chromatin regulators to control cell fate.

Abstract Cells adapt their metabolism to physiological stimuli, and metabolic heterogeneity exists between cell types, within tissues, and subcellular compartments. The liver plays an essential role in maintaining whole-body metabolic homeostasis and is structurally defined by metabolic zones. These zones are well-understood on the transcriptomic level, but have not been comprehensively characterized on the metabolomic level. Mass spectrometry imaging (MSI) can be used to map hundreds of metabolites directly from a tissue section, offering an important advance to investigate metabolic heterogeneity in tissues compared to extraction-based metabolomics methods that analyze tissue metabolite profiles in bulk. We established a workflow for the preparation of tissue specimens for matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) MSI and achieved broad coverage of central carbon, nucleotide, and lipid metabolism pathways. We used this approach to visualize the effect of nutrient stress and excess on liver metabolism. Our data revealed a highly organized metabolic compartmentalization in livers, which becomes disrupted under nutrient stress conditions. Fasting caused changes in glucose metabolism and increased the levels of fatty acids in the circulation. In contrast, a prolonged high-fat diet (HFD) caused lipid accumulation within liver tissues with clear zonal patterns. Fatty livers had higher levels of purine and pentose phosphate related metabolites, which generates reducing equivalents to counteract oxidative stress. This MALDI MSI approach allowed the visualization of liver metabolic compartmentalization at high resolution and can be applied more broadly to yield new insights into metabolic heterogeneity in vivo .

Abstract Gcn5 is a conserved acetyltransferase that regulates transcription by acetylating the N-terminal tails of histones. Motivated by recent studies identifying a chemically diverse array of lysine acyl modifications in vivo, we examined the acyl chain specificity of the acetyltransferase, human Gcn5 (Gcn5L2). Whereas Gcn5L2 robustly catalyzes lysine acetylation, the acyltransferase activity of Gcn5L2 gets progressively weaker with increasing acyl chain length. To understand how Gcn5 discriminates between different acyl-CoA molecules, we determined structures of the catalytic domain of human Gcn5L2 bound to propionyl-CoA and butyryl-CoA. Although the active site of Gcn5L2 can accommodate propionyl-CoA and butyryl-CoA without major structural rearrangements, butyryl-CoA adopts a conformation incompatible with catalysis that obstructs the path of the incoming lysine residue and acts as a competitive inhibitor for Gcn5L2 versus acetyl-CoA. These structures demonstrate how Gcn5L2 discriminates between acyl chain donors and explain why Gcn5L2 has weak activity for acyl moieties that are larger than an acetyl group.