CTLA-4 and PD-1 are receptors that negatively regulate T-cell activation. Ligation of both CTLA-4 and PD-1 blocked CD3/CD28-mediated upregulation of glucose metabolism and Akt activity, but each accomplished this regulation using separate mechanisms. CTLA-4-mediated inhibition of Akt phosphorylation is sensitive to okadaic acid, providing direct evidence that PP2A plays a prominent role in mediating CTLA-4 suppression of T-cell activation. In contrast, PD-1 signaling inhibits Akt phosphorylation by preventing CD28-mediated activation of phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K). The ability of PD-1 to suppress PI3K/AKT activation was dependent upon the immunoreceptor tyrosine-based switch motif located in its cytoplasmic tail, adding further importance to this domain in mediating PD-1 signal transduction. Lastly, PD-1 ligation is more effective in suppressing CD3/CD28-induced changes in the T-cell transcriptional profile, suggesting that differential regulation of PI3K activation by PD-1 and CTLA-4 ligation results in distinct cellular phenotypes. Together, these data suggest that CTLA-4 and PD-1 inhibit T-cell activation through distinct and potentially synergistic mechanisms.

Lymphocyte activation initiates a program of cell growth, proliferation, and differentiation that increases metabolic demand. Although T cells increase glucose uptake and glycolysis during an immune response, the signaling pathways that regulate these increases remain largely unknown. Here we show that CD28 costimulation, acting through phosphatidylinositol 3'-kinase (PI3K) and Akt, is required for T cells to increase their glycolytic rate in response to activation. Furthermore, CD28 controls a primary response pathway, inducing a level of glucose uptake and glycolysis in excess of that needed to maintain cellular ATP/ADP levels or macromolecular synthesis. These data suggest that CD28 costimulation functions to increase glycolytic flux, allowing T cells to anticipate energetic and biosynthetic needs associated with a sustained response.

Abstract To study the cis- and trans-acting factors that mediate programmed death 1 (PD-1) signaling in primary human CD4 T cells, we constructed a chimeric molecule consisting of the murine CD28 extracellular domain and human PD-1 cytoplasmic tail. When introduced into CD4 T cells, this construct mimics the activity of endogenous PD-1 in terms of its ability to suppress T cell expansion and cytokine production. The cytoplasmic tail of PD-1 contains two structural motifs, an ITIM and an immunoreceptor tyrosine-based switch motif (ITSM). Mutation of the ITIM had little effect on PD-1 signaling or functional activity. In contrast, mutation of the ITSM abrogated the ability of PD-1 to block cytokine synthesis and to limit T cell expansion. Further biochemical analyses revealed that the ability of PD-1 to block T cell activation correlated with recruitment of Src homology region 2 domain-containing phosphatase-1 (SHP-1) and SHP-2, and not the adaptor Src homology 2 domain-containing molecule 1A, to the ITSM domain. In TCR-stimulated T cells, SHP-2 associated with PD-1, even in the absence of PD-1 engagement. Despite this interaction, the ability of PD-1 to block T cell activation required receptor ligation, suggesting that colocalization of PD-1 with CD3 and/or CD28 may be necessary for inhibition of T cell activation.