Abstract Emerging data demonstrate that the activity of immune cells can be modulated by microbial molecules. Here, we show that the short-chain fatty acids (SCFAs) pentanoate and butyrate enhance the anti-tumor activity of cytotoxic T lymphocytes (CTLs) and chimeric antigen receptor (CAR) T cells through metabolic and epigenetic reprograming. We show that in vitro treatment of CTLs and CAR T cells with pentanoate and butyrate increases the function of mTOR as a central cellular metabolic sensor, and inhibits class I histone deacetylase activity. This reprogramming results in elevated production of effector molecules such as CD25, IFN-γ and TNF-α, and significantly enhances the anti-tumor activity of antigen-specific CTLs and ROR1-targeting CAR T cells in syngeneic murine melanoma and pancreatic cancer models. Our data shed light onto microbial molecules that may be used for enhancing cellular anti-tumor immunity. Collectively, we identify pentanoate and butyrate as two SCFAs with therapeutic utility in the context of cellular cancer immunotherapy.

Abstract Short-chain fatty acids (SCFAs) have immunomodulatory effects, but the underlying mechanisms are not well understood. Here we show that pentanoate, a physiologically abundant SCFA, is a potent regulator of immunometabolism. Pentanoate induces IL-10 production in lymphocytes by reprogramming their metabolic activity towards elevated glucose oxidation. Mechanistically, this reprogramming is mediated by supplying additional pentanoate-originated acetyl-CoA for histone acetyltransferases, and by pentanoate-triggered enhancement of mTOR activity. In experimental mouse models of colitis and multiple sclerosis, pentanoate-induced regulatory B cells mediate protection from autoimmune pathology. Additionally, pentanoate shows a potent histone deacetylase-inhibitory activity in CD4 + T cells, thereby reducing their IL-17A production. In germ-free mice mono-colonized with segmented filamentous bacteria (SFB), pentanoate inhibits the generation of small-intestinal Th17 cells and ameliorates SFB-promoted inflammation in the central nervous system. Taken together, by enhancing IL-10 production and suppressing Th17 cells, the SCFA pentanoate might be of therapeutic relevance for inflammatory and autoimmune diseases.

Regulatory T-cells induced via IL-2 and TGFβ in vitro (iTreg) suppress immune cells and are potential therapeutics during autoimmunity. However, several reports described their re-differentiation into pathogenic cells in vivo and loss of their key functional transcription factor (TF) FOXP3 after T-cell antigen receptor (TCR)-signalling in vitro. Here, we show that TCR-activation antagonizes two necessary TFs for foxp3 gene transcription, which are themselves regulated by phosphorylation. Although the tyrosine phosphatase PTPN2 is induced to restrain IL-2-mediated phosphorylation of the TF STAT5, expression of the TF FOXO1 is downregulated and miR-182, a suppressor of FOXO1 expression, is upregulated. TGFβ counteracts the FOXP3-depleting TCR-signal by reassuring FOXO1 expression and by re-licensing STAT5 phosphorylation. Overexpressed phosphorylation-independent active versions of FOXO1 and STAT5 or knockdown of PTPN2 restores FOXP3 expression despite TCR-signal and absence of TGFβ. This study suggests novel targets for stabilisation and less dangerous application of iTreg during devastating inflammation.

Abstract The processes leading from disturbed B cell development to adult B cell progenitor acute lymphoblastic leukemia (BCP-ALL) are poorly understood. Here, we describe Irf4 −/− mice as prone to developing BCP-ALL with age. Irf4 −/− preB-I cells exhibited impaired differentiation but enhanced proliferation in response to IL-7, along with reduced retention in the IL-7 providing bone marrow niche due to decreased CXCL12 responsiveness. Thus selected, preB-I cells acquired Jak3 mutations, probably following irregular AID activity, resulting in malignant transformation. We demonstrate heightened IL-7 sensitivity due to Jak3 mutants, devise a model to explain it and describe structural and functional similarities to Jak2 mutations often occurring in human Ph-like ALL. Finally, targeting JAK signaling with Ruxolitinib in vivo prolonged survival of mice bearing established Irf4 −/− leukemia. Intriguingly, organ infiltration including leukemic meningeosis was selectively reduced without affecting blood blast counts. In this work, we present spontaneous leukemogenesis following IRF4 deficiency with potential implications for high-risk BCP-ALL in adult humans.

Abstract The metabolic pathways controlling naive CD8 + T (Tn) cell maturation following thymic egress remain mostly undefined. This is important because immature Tn are a major component of peripheral immune tolerance in newborns and under lymphopenia. In this study we demonstrate that TMRM, a mitochondrial membrane potential marker, could be applied to rapidly identify an immature Tn cell population in the periphery. Applying this marker to perform metabolic and proteomic analysis, we show that immature Tn cells maintain accelerated methionine cycle in respect to mature Tn. This unique metabolic state was associated with restricted Tbx21 locus and diminished immune response in vitro and in vivo. Following our findings, we demonstrate that inhibition of methionine cycle leads to rapid functional maturation of Tn and recovery of immune response to stimuli. Our work provides insight into the way the rate of methionine cycling regulates T cell maturation, opening a path for metabolic manipulation of immune tolerance.

Abstract The generation of lineage-specific gene expression programmes that alter proliferation capacity, metabolic profile and cell type-specific functions during differentiation from multipotent stem cells to specialised cell types is crucial for development. During differentiation gene expression programmes are dynamically modulated by a complex interplay between sequence-specific transcription factors, associated cofactors and epigenetic regulators. Here, we study U-shaped (Ush), a multi-zinc finger protein that maintains the multipotency of stem cell-like hemocyte progenitors during Drosophila hematopoiesis. Using genomewide approaches we reveal that Ush binds to promoters and enhancers and that it controls the expression of three gene classes that encode proteins relevant to stem cell-like functions and differentiation: cell cycle regulators, key metabolic enzymes and proteins conferring specific functions of differentiated hemocytes. We employ complementary biochemical approaches to characterise the molecular mechanisms of Ush-mediated gene regulation. We uncover distinct Ush isoforms one of which binds the Nucleosome Remodeling and Deacetylation (NuRD) complex using an evolutionary conserved peptide motif. Remarkably, the Ush/NuRD complex specifically contributes to the repression of lineage-specific genes but does not impact the expression of cell cycle regulators or metabolic genes. This reveals a mechanism that enables specific and concerted modulation of functionally related portions of a wider gene expression programme. Finally, we use genetic assays to demonstrate that Ush and NuRD regulate enhancer activity during hemocyte differentiation in vivo and that both cooperate to suppress the differentiation of lamellocytes, a highly specialised blood cell type. Our findings reveal that Ush coordinates proliferation, metabolism and cell type-specific activities by isoform-specific cooperation with an epigenetic regulator.