Influence of metabolism in the regulation of T cell differentiation

Abstract

Glucose is a key nutrient for T cells. Despite that T cell activation is impaired when they are deprived of glucose, it has also been shown that T effector responses can be elicited in vivo in glucose-poor environments, such as the intratumoral niche, which raises the question of how these cells can maintain their function in nutrient-restricted sites. In this work, we analyzed the ability of T effector cells to be activated by pro-inflammatory polarizing conditions under limiting glucose availability, using an in vitro model in which effector Th0 cells were restimulated to secondary effector T cells in glucose deficiency (0.3 mM). We found that secondary effector T cells could express characteristic Th1 and Th17 cytokines such as IL-17A and IFNγ when exposed to low glucose, but they lost expression of IL-22. Secondary effector T cells adapted to low glucose by reducing their rate of glucose consumption and expression of glycolysis genes, although they still kept using glucose as the main fuel for ATP production. In addition, we found that glucose limitation caused a mild, progressive impairment on mTORC1 activity in these cells that explained in part the downregulation of IL-22, an mTORC1-dependent cytokine. Our results also showed that secondary effector T cells that had experienced glucose stress acquired a nutrient-trained phenotype, and when they were later restimulated under glucose sufficiency they induced an altered cytokine expression pattern with exacerbated production of IL-22 and reduced IFNγ production. Finally, we observed that effector CD4+ T cells generated in different activation contexts in vivo exhibited different patterns of glucose-sensitive genes upon restimulation ex vivo, which suggested that the context in which T effector cells are induced might be a relevant determinant in shaping different response patterns to glucose limitation upon further stimulation. Altogether, our results uncover a previously unappreciated robustness of T cells to maintain effector function under nutrient-restricted conditions, also revealing that a prior history of nutrient stress can influence future effector T cell responses.

La glucosa és un nutrient essencial per les cèl·lules T. Malgrat que l’activació T es veu disminuïda per la manca de glucosa, s’ha vist que respostes T efectores tenen lloc in vivo en entorns amb nivells baixos de glucosa, com són els tumors. Això planteja la incògnita de saber com aquestes cèl·lules poden mantenir les seves funcions en ambients pobres de nutrients. En aquest treball hem analitzat la capacitat de les cèl·lules T efectores (Th0) de ser activades en condicions pro-inflamatòries i nivells baixos de glucosa (0.3 mM). Hem vist que les cèl·lules T efectores secundàries poden induir citocines característiques de respostes Th1 i Th17 com la IL-17A i l’IFNγ en condicions de nivells baixos de glucosa, però perden la capacitat d’expressar la IL-22. Aquestes cèl·lules s’adapten a un entorn baix de glucosa reduint-ne el consum i reduint l’expressió de gens de la glicòlisi, malgrat tot, la glucosa segueix sent la seva principal font d’energia (ATP). A més a més, hem observat que nivells limitats de glucosa provoquen una lleu però progressiva deficiència en l’activitat d’mTORC1, necessària per la producció de la IL-22 i que explicaria en part la disminució dels nivells d’aquesta citocina. Els nostres resultats també mostren que les cèl·lules T efectores secundàries que han experimentat un estrès de glucosa adquireixen un fenotip de memòria que fa que responguin de manera alterada (producció exagerada de IL-22) a un segon estímul en presència de nivells normals de glucosa. Finalment, hem observat que les cèl·lules T CD4 efectores activades in vivo expressen diferencialment gens sensibles a glucosa quan són re-estimulades ex vivo. Això suggereix que el context d’activació d’una cèl·lula T és important per determinar la resposta d’aquestes cèl·lules a posteriors estimulacions en situació de baixa glucosa. En resum, els nostres resultats mostren que els limfòcits T son capaços de mantenir un ventall de funcions efectores en situacions de restricció de nutrients, però que el haver passat per una etapa d’estrès de nutrients pot condicionar els seus perfils d’expressió gènica en respostes efectores futures.