Regulation of tryptophan metabolism by indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) in dendritic cells (DCs) is a highly versatile modulator of immunity. In inflammation, interferon-γ is the main inducer of IDO for the prevention of hyperinflammatory responses, yet IDO is also responsible for self-tolerance effects in the longer term. Here we show that treatment of mouse plasmacytoid DCs (pDCs) with transforming growth factor-β (TGF-β) conferred regulatory effects on IDO that were mechanistically separable from its enzymic activity. We found that IDO was involved in intracellular signaling events responsible for the self-amplification and maintenance of a stably regulatory phenotype in pDCs. Thus, IDO has a tonic, nonenzymic function that contributes to TGF-β-driven tolerance in noninflammatory contexts.

Disease tolerance is the ability of the host to reduce the effect of infection on host fitness. Analysis of disease tolerance pathways could provide new approaches for treating infections and other inflammatory diseases. Typically, an initial exposure to bacterial lipopolysaccharide (LPS) induces a state of refractoriness to further LPS challenge (endotoxin tolerance). We found that a first exposure of mice to LPS activated the ligand-operated transcription factor aryl hydrocarbon receptor (AhR) and the hepatic enzyme tryptophan 2,3-dioxygenase, which provided an activating ligand to the former, to downregulate early inflammatory gene expression. However, on LPS rechallenge, AhR engaged in long-term regulation of systemic inflammation only in the presence of indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1). AhR-complex-associated Src kinase activity promoted IDO1 phosphorylation and signalling ability. The resulting endotoxin-tolerant state was found to protect mice against immunopathology in Gram-negative and Gram-positive infections, pointing to a role for AhR in contributing to host fitness. Initial exposure to lipopolysaccharide (LPS) induces endotoxin tolerance, which reduces immunological reactions to LPS; here it is shown that primary LPS challenge is controlled by AhR, TDO2 and IL-10, whereas sustained effects require AhR, IDO1 and TGF-β, allowing for disease tolerance with reduced immunopathology in infections. Endotoxin tolerance is an aspect of innate immunity in which prior exposure to a bacterial endotoxin (or lipopolysaccharide) reduces the host's response to subsequent exposure. Despite a recent resurgence of interest in this effect, the underlying mechanisms are poorly understood. This paper shows that the development of endotoxin tolerance is dependent on tryptophan catabolism through the sequential involvement of the metabolic enzymes indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1) and tryptophan 2,3-dioxygenase (TDO2). This leads to kynurenine production which activates the aryl hydrocarbon receptor AhR. Primary endotoxin challenge is controlled by AhR, TDO2 and interleukin, whereas sustained tolerance requires AhR, IDO1 and the cytokine TGF-β, allowing for pathogen clearance with little immunopathology.

CD8+ T cells infiltrating tumors are largely dysfunctional, but whether a subset maintains superior functionality remains ill defined. By high-dimensional single cell analysis of millions of CD8+ T cells from 53 individuals with lung cancer, we defined those subsets that are enriched in tumors compared with cancer-free tissues and blood. Besides exhausted and activated cells, we identified CXCR5+ TIM-3– CD8+ T cells with a partial exhausted phenotype, while retaining gene networks responsible for stem-like plasticity and cytotoxicity, as revealed by single cell sequencing of the whole transcriptome. Ex vivo, CXCR5+ TIM-3– CD8+ T cells displayed enhanced self-renewal and multipotency compared with more differentiated subsets and were largely polyfunctional. Analysis of inhibitory and costimulatory receptors revealed PD-1, TIGIT, and CD27 as possible targets of immunotherapy. We thus demonstrate a hierarchy of differentiation in the context of T cell exhaustion in human cancer similar to that of chronically infected mice, which is further shown to disappear with disease progression.

Highlights•Dendritic cells (DCs) can co-express Arg1 and IDO1 immunosuppressive enzymes•Arg1 activity is required for IDO1 induction by TGF-β in DCs•Spermidine, a downstream Arg1 product, but not arginine starvation, induces IDO1 in DCs•Arg1+ myeloid derived suppressor cells (MDSCs) can render DCs immunosuppressive via IDO1SummaryArginase 1 (Arg1) and indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1) are immunoregulatory enzymes catalyzing the degradation of l-arginine and l-tryptophan, respectively, resulting in local amino acid deprivation. In addition, unlike Arg1, IDO1 is also endowed with non-enzymatic signaling activity in dendritic cells (DCs). Despite considerable knowledge of their individual biology, no integrated functions of Arg1 and IDO1 have been reported yet. We found that IDO1 phosphorylation and consequent activation of IDO1 signaling in DCs was strictly dependent on prior expression of Arg1 and Arg1-dependent production of polyamines. Polyamines, either produced by DCs or released by bystander Arg1+ myeloid-derived suppressor cells, conditioned DCs toward an IDO1-dependent, immunosuppressive phenotype via activation of the Src kinase, which has IDO1-phosphorylating activity. Thus our data indicate that Arg1 and IDO1 are linked by an entwined pathway in immunometabolism and that their joint modulation could represent an important target for effective immunotherapy in several disease settings.

Inflammation is a key component of cardiac disease, with macrophages and T lymphocytes mediating essential roles in the progression to heart failure. Nonetheless, little insight exists on other immune subsets involved in the cardiotoxic response.Here, we used single-cell RNA sequencing to map the cardiac immune composition in the standard murine nonischemic, pressure-overload heart failure model. By focusing our analysis on CD45+ cells, we obtained a higher resolution identification of the immune cell subsets in the heart, at early and late stages of disease and in controls. We then integrated our findings using multiparameter flow cytometry, immunohistochemistry, and tissue clarification immunofluorescence in mouse and human.We found that most major immune cell subpopulations, including macrophages, B cells, T cells and regulatory T cells, dendritic cells, Natural Killer cells, neutrophils, and mast cells are present in both healthy and diseased hearts. Most cell subsets are found within the myocardium, whereas mast cells are found also in the epicardium. Upon induction of pressure overload, immune activation occurs across the entire range of immune cell types. Activation led to upregulation of key subset-specific molecules, such as oncostatin M in proinflammatory macrophages and PD-1 in regulatory T cells, that may help explain clinical findings such as the refractivity of patients with heart failure to anti-tumor necrosis factor therapy and cardiac toxicity during anti-PD-1 cancer immunotherapy, respectively.Despite the absence of infectious agents or an autoimmune trigger, induction of disease leads to immune activation that involves far more cell types than previously thought, including neutrophils, B cells, Natural Killer cells, and mast cells. This opens up the field of cardioimmunology to further investigation by using toolkits that have already been developed to study the aforementioned immune subsets. The subset-specific molecules that mediate their activation may thus become useful targets for the diagnostics or therapy of heart failure.