It is widely appreciated that T cells increase glycolytic flux during activation, but the role of mitochondrial flux is unclear. Here, we have shown that mitochondrial metabolism in the absence of glucose metabolism is sufficient to support interleukin-2 (IL-2) induction. Furthermore, we used mice with reduced mitochondrial reactive oxygen species (mROS) production in T cells (T-Uqcrfs −/− mice) to show that mitochondria are required for T cell activation to produce mROS for activation of nuclear factor of activated T cells (NFAT) and subsequent IL-2 induction. These mice could not induce antigen-specific expansion of T cells in vivo, but Uqcrfs1 −/− T cells retained the ability to proliferate in vivo under lymphopenic conditions. This suggests that Uqcrfs1 −/− T cells were not lacking bioenergetically but rather lacked specific ROS-dependent signaling events needed for antigen-specific expansion. Thus, mitochondrial metabolism is a critical component of T cell activation through the production of complex III ROS.

Abstract The membrane protein TREM2 (Triggering Receptor Expressed on Myeloid cells 2) regulates key microglial functions including phagocytosis and chemotaxis. Loss-of-function variants of TREM2 are associated with increased risk of Alzheimer’s disease (AD). Because abnormalities in Ca 2+ signaling have been observed in several AD models, we investigated TREM2 regulation of Ca 2+ signaling in human induced pluripotent stem cell-derived microglia (iPSC-microglia) with genetic deletion of TREM2. We found that iPSC-microglia lacking TREM2 (TREM2 KO) show exaggerated Ca 2+ signals in response to purinergic agonists, such as ADP, that shape microglial injury responses. This ADP hypersensitivity, driven by increased expression of P2Y 12 and P2Y 13 receptors, results in greater release of Ca 2+ from the endoplasmic reticulum (ER) stores, which triggers sustained Ca 2+ influx through Orai channels and alters cell motility in TREM2 KO microglia. Using iPSC-microglia expressing the genetically encoded Ca 2+ probe, Salsa6f, we found that cytosolic Ca 2+ tunes motility to a greater extent in TREM2 KO microglia. Despite showing greater overall displacement, TREM2 KO microglia exhibit reduced directional chemotaxis along ADP gradients. Accordingly, the chemotactic defect in TREM2 KO microglia was rescued by reducing cytosolic Ca 2+ using a P2Y 12 receptor antagonist. Our results show that loss of TREM2 confers a defect in microglial Ca 2+ response to purinergic signals, suggesting a window of Ca 2+ signaling for optimal microglial motility.

Ca2+ influx through Orai1 channels is crucial for several T cell functions, but a role in regulating basal cellular motility has not been described. Here we show that inhibition of Orai1 channel activity increases average cell velocities by reducing the frequency of pauses in human T cells migrating through confined spaces, even in the absence of extrinsic cell contacts or antigen recognition. Utilizing a novel ratiometric genetically encoded cytosolic Ca2+ indicator, Salsa6f, which permits real-time monitoring of cytosolic Ca2+ along with cell motility, we show that spontaneous pauses during T cell motility in vitro and in vivo coincide with episodes of cytosolic Ca2+ signaling. Furthermore, lymph node T cells exhibited two types of spontaneous Ca2+ transients: short-duration sparkles and longer duration global signals. Our results demonstrate that spontaneous and self-peptide MHC-dependent activation of Orai1 ensures random walk behavior in T cells to optimize immune surveillance.

Calcium is an essential cellular messenger that regulates numerous functions in living organisms. Here we describe development and characterization of “Salsa6f”, a fusion of GCaMP6f and tdTomato optimized for cell tracking while monitoring cytosolic Ca2+, and a transgenic Ca2+ reporter mouse with Salsa6f floxed and targeted to the Rosa26 locus for expression in specific cell types. Using CD4-Cre-Salsa6f mice, we report normal development and function of T cells expressing Salsa6f and demonstrate Ca2+ signaling dynamics during T cell receptor engagement in naïve T cells, helper Th17 T cells and regulatory T cells. Salsa6f expression also revealed functional expression of mechanosensitive Piezo1 channels in T cells. Transgenic expression of Salsa6f enables ratiometric imaging of Ca2+ signals in complex tissue environments found in vivo. Deep tissue two-photon imaging of T cells in the steady-state lymph node revealed a highly localized Ca2+ signaling behavior (“sparkles”) as cells migrate.