Failure of T cells to protect against cancer is thought to result from lack of antigen recognition, chronic activation, and/or suppression by other cells. Using a mouse sarcoma model, we show that glucose consumption by tumors metabolically restricts T cells, leading to their dampened mTOR activity, glycolytic capacity, and IFN-γ production, thereby allowing tumor progression. We show that enhancing glycolysis in an antigenic “regressor” tumor is sufficient to override the protective ability of T cells to control tumor growth. We also show that checkpoint blockade antibodies against CTLA-4, PD-1, and PD-L1, which are used clinically, restore glucose in tumor microenvironment, permitting T cell glycolysis and IFN-γ production. Furthermore, we found that blocking PD-L1 directly on tumors dampens glycolysis by inhibiting mTOR activity and decreasing expression of glycolysis enzymes, reflecting a role for PD-L1 in tumor glucose utilization. Our results establish that tumor-imposed metabolic restrictions can mediate T cell hyporesponsiveness during cancer.

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.

Generation of CD8+ memory T cells requires metabolic reprogramming that is characterized by enhanced mitochondrial fatty-acid oxidation (FAO). However, where the fatty acids (FA) that fuel this process come from remains unclear. While CD8+ memory T cells engage FAO to a greater extent, we found that they acquired substantially fewer long-chain FA from their external environment than CD8+ effector T (Teff) cells. Rather than using extracellular FA directly, memory T cells used extracellular glucose to support FAO and oxidative phosphorylation (OXPHOS), suggesting that lipids must be synthesized to generate the substrates needed for FAO. We have demonstrated that memory T cells rely on cell intrinsic expression of the lysosomal hydrolase LAL (lysosomal acid lipase) to mobilize FA for FAO and memory T cell development. Our observations link LAL to metabolic reprogramming in lymphocytes and show that cell intrinsic lipolysis is deterministic for memory T cell fate.

A characteristic of memory T (T M ) cells is their ability to mount faster and stronger responses to reinfection than naïve T (T N ) cells do in response to an initial infection. However, the mechanisms that allow this rapid recall are not completely understood. We found that CD8 T M cells have more mitochondrial mass than CD8 T N cells and, that upon activation, the resulting secondary effector T (T E ) cells proliferate more quickly, produce more cytokines, and maintain greater ATP levels than primary effector T cells. We also found that after activation, T M cells increase oxidative phosphorylation and aerobic glycolysis and sustain this increase to a greater extent than T N cells, suggesting that greater mitochondrial mass in T M cells not only promotes oxidative capacity, but also glycolytic capacity. We show that mitochondrial ATP is essential for the rapid induction of glycolysis in response to activation and the initiation of proliferation of both T N and T M cells. We also found that fatty acid oxidation is needed for T M cells to rapidly respond upon restimulation. Finally, we show that dissociation of the glycolysis enzyme hexokinase from mitochondria impairs proliferation and blocks the rapid induction of glycolysis upon T-cell receptor stimulation in T M cells. Our results demonstrate that greater mitochondrial mass endows T M cells with a bioenergetic advantage that underlies their ability to rapidly recall in response to reinfection.

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.

Greater understanding of the complex host responses induced by type 1 interferon (IFN) cytokines could allow new therapeutic approaches for diseases in which these cytokines are implicated. We found that in response to the Toll-like receptor-9 agonist CpGA, plasmacytoid dendritic cells (pDC) produced type 1 IFNs, which, through an autocrine type 1 IFN receptor-dependent pathway, induced changes in cellular metabolism characterized by increased fatty acid oxidation (FAO) and oxidative phosphorylation (OXPHOS). Direct inhibition of FAO and of pathways that support this process, such as fatty acid synthesis, prevented full pDC activation. Type 1 IFNs also induced increased FAO and OXPHOS in non-hematopoietic cells and were found to be responsible for increased FAO and OXPHOS in virus-infected cells. Increased FAO and OXPHOS in response to type 1 IFNs was regulated by PPARα. Our findings reveal FAO, OXPHOS and PPARα as potential targets to therapeutically modulate downstream effects of type 1 IFNs.

The cell-intrinsic pathways controlling the function of innate lymphoid cells are poorly defined. Artis and colleagues demonstrate that ILC2s selectively express arginase 1 and that this is critical for their bioenergetics, proliferation and function. Group 2 innate lymphoid cells (ILC2s) regulate tissue inflammation and repair after activation by cell-extrinsic factors such as host-derived cytokines. However, the cell-intrinsic metabolic pathways that control ILC2 function are undefined. Here we demonstrate that expression of the enzyme arginase-1 (Arg1) during acute or chronic lung inflammation is a conserved trait of mouse and human ILC2s. Deletion of mouse ILC-intrinsic Arg1 abrogated type 2 lung inflammation by restraining ILC2 proliferation and dampening cytokine production. Mechanistically, inhibition of Arg1 enzymatic activity disrupted multiple components of ILC2 metabolic programming by altering arginine catabolism, impairing polyamine biosynthesis and reducing aerobic glycolysis. These data identify Arg1 as a key regulator of ILC2 bioenergetics that controls proliferative capacity and proinflammatory functions promoting type 2 inflammation.

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.

Summary

 T cell receptor (TCR) signaling without CD28 can elicit primary effector T cells, but memory T cells generated during this process are anergic, failing to respond to secondary antigen exposure. We show that, upon T cell activation, CD28 transiently promotes expression of carnitine palmitoyltransferase 1a (Cpt1a), an enzyme that facilitates mitochondrial fatty acid oxidation (FAO), before the first cell division, coinciding with mitochondrial elongation and enhanced spare respiratory capacity (SRC). microRNA-33 (miR33), a target of thioredoxin-interacting protein (TXNIP), attenuates Cpt1a expression in the absence of CD28, resulting in cells that thereafter are metabolically compromised during reactivation or periods of increased bioenergetic demand. Early CD28-dependent mitochondrial engagement is needed for T cells to remodel cristae, develop SRC, and rapidly produce cytokines upon restimulation—cardinal features of protective memory T cells. Our data show that initial CD28 signals during T cell activation prime mitochondria with latent metabolic capacity that is essential for future T cell responses.

Artificial sweeteners are used as calorie-free sugar substitutes in many food products and their consumption has increased substantially over the past years1. Although generally regarded as safe, some concerns have been raised about the long-term safety of the consumption of certain sweeteners2-5. In this study, we show that the intake of high doses of sucralose in mice results in immunomodulatory effects by limiting T cell proliferation and T cell differentiation. Mechanistically, sucralose affects the membrane order of T cells, accompanied by a reduced efficiency of T cell receptor signalling and intracellular calcium mobilization. Mice given sucralose show decreased CD8+ T cell antigen-specific responses in subcutaneous cancer models and bacterial infection models, and reduced T cell function in models of T cell-mediated autoimmunity. Overall, these findings suggest that a high intake of sucralose can dampen T cell-mediated responses, an effect that could be used in therapy to mitigate T cell-dependent autoimmune disorders.