Targeting T cell metabolism: A new tool for modulating T cell function

Abstract

T cells play a central role in the development of efficient immune responses. When a naïve T cell interacts with its cognate antigen, multiple pathways are activated, leading to T cell differentiation and specialization into specific functions. During the past 20-30 years, significant research efforts have been mobilized to decipher the molecular mechanisms orchestrating T cell differentiation and the establishment of T cell effector responses. The majority of these studies focused on the impact of signaling via the T cell receptor (TCR), cytokines, chemokines and hormones as well as cell-cell interactions, demonstrating important roles for each of these components in T cell activation. However, studies of less “classical” parameters of the T cell microenvironment, such as the availability of nutrients, amino acids, mineral, vitamins and oxygen, were not at the forefront. It is only in the past few years that we have begun to appreciate the impact of metabolism in T cell activation. Nutrient availability is particularly important as T cell activation requires that the lymphocyte meet increased energetic and biosynthetic demands. Furthermore, in pathological situations such as cancer, the direct environment of intra-tumoral T lymphocytes can be altered by nutrient availability. As such, it becomes important to determine how nutrient availability affects T cell activation and the potential of these T cells to mediate different effector functions. My project in Naomi Taylor’s lab focused on the impact of glutamine and glucose metabolism as well as oxygen tension on T cell fate. During my rotation, I found that activation of naïve CD4+ or CD8+ T cells under conditions of glutamine deprivation decreased their proliferation potential and resulted in a skewing of both subsets to a Foxp3+ T cell fate (Tregs). Moreover, glutamine-deprived CD4+ T cells activated under Th1-polarizing conditions lost their potential to differentiate into Th1 cells but instead, a significant percentage adopted a Foxp3+ Treg fate. Notably, we found that α-ketoglutarate (αKG), the glutamine metabolite that enters into the mitochondrial citric acid cycle, functions as a metabolic regulator between these alternative CD4+ T cell effector fates. Supplementing glutamine-deprived cells with a cell-permeable αKG induced expression of Tbet, a mastertranscriptional regulator of Th1 differentiation, and restored Th1 differentiation, as monitored by IFN-γ secretion. I was also interested in determining whether the profile of expression of the Glut1 glucose transporter can be used to distinguish activated T lymphocyte cells with different phenotypes, both under conditions of normoxia (20%) and hypoxia (1%). We found that Glut1 was expressed at higher levels under conditions of hypoxia and normoxia and moreover, sorting of T lymphocytes on the basis of their Glut1 profiles revealed Glut1high cells to have a higher proliferation potential, more rapidly acquiring a memory cell phenotype. There was also a higher percentage of CD8 T cells within the Glut1high than Glut1low lymphocyte subsets. Finally, our preliminary data suggest that both oxygen tension and Glut1 expression levels correlate with differential cytokine secretion profiles. Specifically, Glut1high CD4 T cells secrete significantly higher levels of IL-17 than the Glut1low subset and cytokine expression is more than 3-fold higher under normoxic oxygen conditions. The ensemble of these results reveal T cell metabolism as an important modulator of T cell fate and strongly suggest that the specific targeting of metabolic pathways may allow the development of innovative strategies to improve T cell immunotherapies.

As células T detêm um papel central no desenvolvimento de respostas imunitárias eficientes. Quando uma célula T naive interege com o seu respectivo antigénio, múltiplas vias são activadas resultando na diferenciação e especialização das células T em funções específicas. Nos últimos 20-30 anos, esforços ciêntificos significativos têm sido feitos com o objectivo de decifrar os mecanismos moleculares envolvidos da diferenciação das células T assim como no estabelecimento de resposta efectoras. A maioria dos estudos tiveram como principal foco o impacto da sinalização mediada pelo receptor das células T, citoquinas, quimiocinas e hormonas assim como interacções célula-célula, demonstrando o papel importante de cada um destes componentes na activação das células T. No entanto, estudo de parâmetros menos “clássicos”, como por exemplo, a disponibilidade de nutrientes, aminoácidos, minerais, vitaminas e oxigénio, não foram igualmente considerados. Apenas nos últimos anos, é que estes parâmetros começaram a ser considerados como tendo um possível impacto na activação das células T. A disponibilidade dos nutrientes é, particularmente, importante para as células T visto que a sua activação induz um aumento dos requerimentos energéticos e biosintéticos. Além disso, em situações patológicas, como por exemplo cancro, o ambiente que envolve as células T anti-tumorais pode ser alterado pela disponibilidade de nutrientes. Assim sendo, é importante determinar como é que a disponibilidade dos nutrientes pode afectar a activação das células T bem como afectar o seu potencial em mediar funções efectoras diferentes. O meu projecto no laboratório da Dr. Naomi Taylor focou-se no impacto do metabolismo da glutamina e da glucose assim como no papel da tensão de oxigénio no destino das células T. Durante a minha rotação, eu observei que a activação das células T CD4+ ou CD8+, na ausência de glutamina, induz uma diminuição no potencial de proliferação e redirecciona ambas as populações para o mesmo fenótipo: FoxP3+ (Treg). Ainda, células activadas na ausência de glutamina e sob polarização Th1 perdem a sua capacidade de diferenciação em células Th1 e, por outro lado, grande parte adoptam um fenótipo de células FoxP3+ Treg. De maneira notável, nós observámos que adicionando α-cetoglutarato (α-KG), um metabolito da glutamina que entra mitocôndria por via do ciclo de krebs, funciona como um regulador metabolico de diferentes subpopulações efectoras de células T CD4+. Adicionando α-KG às células mantidas naausência de glutamina, é verificado uma indução da expressão de Tbet, um importante regulador transcripcional na diferenciação das células Th1, e uma restauração da diferenciação das células Th1, como observado pela secreção de IFN-γ. Para além do papel da glutamina no metabolismo das células T, também procurei determinar se diferentes perfis de expressão do transportador de glucose Glut1 poderiam ser utilizados para distinguir células T activadas com diferentes fenótipos, ambas sob condições de normoxia (20%) e hipoxia (1%). Nós observámos que Glut1 é expresso a níveis elevados sob condições de normoxia e hipoxia e, ainda, fazendo um sorting das células T baseado nos perfis de expressão de Glut1, foi observado que células Glut1high têm um maior potencial de proliferação, adquirindo mais rapidamente um fénotipo de memória. Foi também verificado uma maior percentagem de células CD8 nas células Glut1high comparativamente com as células Glut1low . Finalmente, os nossos resultados perliminares sugerem que em ambas as tensões de oxigénio e em ambos os perfis de expressão de Glut1 estão correlacionados com diferentes padrões de expressão de citoquinas. Especialmente, células T CD4 Glut1high secretam significativamente níveis mais elevados de IL-17 que a subpopulação Glut1low e a expressão de citoquinas é 3 vezes maior sob condições de normoxia. O conjunto destes resultados revela que o metabolismo de células T é um importante modulador da diferenciação das células T e sugere fortemente que, actuando directamente nas vias metabólicas, pode permitir o desenvolvimento de novas estratégias com o objectivo de melhorar imunoterapias que têm por base o uso de células T.