Cytotoxic T cells are essential mediators of protective immunity to viral infection and malignant tumours and are a key target of immunotherapy approaches. However, prolonged exposure to cognate antigens often attenuates the effector capacity of T cells and limits their therapeutic potential1–4. This process, known as T cell exhaustion or dysfunction1, is manifested by epigenetically enforced changes in gene regulation that reduce the expression of cytokines and effector molecules and upregulate the expression of inhibitory receptors such as programmed cell-death 1 (PD-1)5–8. The underlying molecular mechanisms that induce and stabilize the phenotypic and functional features of exhausted T cells remain poorly understood9–12. Here we report that the development and maintenance of populations of exhausted T cells in mice requires the thymocyte selection-associated high mobility group box (TOX) protein13–15. TOX is induced by high antigen stimulation of the T cell receptor and correlates with the presence of an exhausted phenotype during chronic infections with lymphocytic choriomeningitis virus in mice and hepatitis C virus in humans. Removal of its DNA-binding domain reduces the expression of PD-1 at the mRNA and protein level, augments the production of cytokines and results in a more polyfunctional T cell phenotype. T cells with this deletion initially mediate increased effector function and cause more severe immunopathology, but ultimately undergo a massive decline in their quantity, notably among the subset of TCF-1+ self-renewing T cells. Altogether, we show that TOX is a critical factor for the normal progression of T cell dysfunction and the maintenance of exhausted T cells during chronic infection, and provide a link between the suppression of effector function intrinsic to CD8 T cells and protection against immunopathology. TOX is a critical factor for the normal progression of T cell dysfunction and the maintenance of exhausted T cells during chronic infections.

Cancer exploits different mechanisms to escape T-cell immunosurveillance, including overexpression of checkpoint ligands, secretion of immunosuppressive molecules, and aberrant glycosylation. Herein, we report that IFNγ, a potent immunomodulator secreted in the tumor microenvironment, can induce α2,6 hypersialylation in cancer cell lines derived from various histologies. We then focused on Siglec-9, a receptor for sialic acid moieties, and demonstrated that the Siglec-9+ T-cell population displayed reduced effector function. We speculated that Siglec-9 in primary human T cells can act as a checkpoint molecule and demonstrated that knocking out Siglec-9 using a CRISPR/Cas9 system enhanced the functionality of primary human T cells. Finally, we aimed to augment cancer-specific T-cell activity by taking advantage of tumor hypersialylation. Thus, we designed several Siglec-9-based chimeric switch receptors (CSRs), which included an intracellular moiety derived from costimulatory molecules (CD28/41BB) and different hinge regions. In an antigen specific context, T cells transduced with Siglec-9 CSRs demonstrated increased cytokine secretions and upregulation of activation markers. Moreover, T cells equipped with specific Siglec-9 CSRs mediated robust antitumor activity in a xenograft model of human tumors. Overall, this work sheds light on tumor evasion mechanisms mediated by sialylated residues and exemplifies an approach to improve engineered T cell-based cancer treatment.