Modulation des fonctions effectrices des cellules T en exploitant l’environnement métabolique

T cells are stimulated upon interaction with their cognate antigen. While much research has focused on the role of antigen presenting cells (APC) and cytokines as important components of the T cell microenvironment, recent data highlight the importance of the metabolic environment in sustaining the energetic and biosynthetic demands that are induced upon antigen stimulation. The subsequent metabolic reprogramming of the T cell is conditioned by the nutrient composition and oxygen levels. Notably, this environment can be altered by pathological conditions such as tumors and data from our group, as well as others, have shown that the competition of T cells and tumor cells for limiting amounts of nutrients has a negative impact on T cells, inhibiting their anti-tumor effector functions. This effect is due, at least in part, to the distinct metabolic profiles of T lymphocyte subsets; T effector cells (including Th1 cells) are highly glycolytic while suppressive Foxp3+ regulatory T cells (Tregs) display a mixed metabolism with increased levels of lipid oxidation. It is therefore important to determine how changes in the metabolic programming of anti-tumor T cells impacts on their persistence and function. Indeed, in the context of my PhD research, I found that high levels of the glucose transporter Glut1 was associated with a significantly increased level of IFNγ secretion by both CD4 and CD8 T cells. Furthermore, there was a bias of CD8 over CD4 lymphocytes in the Glut1-hi T cell subset. These data point to the importance of metabolic alterations in the fate and effector function of T lymphocytes and during my PhD, I focused on elucidating the metabolic parameters that regulate effector and regulatory T cells, with the goal of improving the efficacy of anti-tumor T cells. In this context, I contributed to initial studies from our group, revealing a critical role for extracellular nutrient availability in terminal CD4+ T cell differentiation. Activation of naïve CD4+ T cells under conditions of glutamine deprivation caused them to differentiate into induced Treg (iTreg). Moreover, the skewing of glutamine-deprived naive CD4+ T cells to a Foxp3+ fate occurred even under Th1-polarizing conditions, blocking terminal Th1 differentiation. Under glutamine-deprived conditions, we found that alpha-ketoglutarate (αKG), a glutamine-derived metabolite, rescued Th1 differentiation. I then evaluated the impact of aKG under glutamine-replete conditions in the Th1/iTreg differentiation processes. My studies showed that, under Th1-polarizing conditions, aKG markedly enhanced naïve CD4+ T cell differentiation into Th1 cells and increased IFNg secretion. Moreover, under Treg-polarizing conditions, αKG decreased Foxp3 expression and increased the secretion of inflammatory cytokines such as IFNg, GM-CSF and IL-17. Notably, the aKG-mediated alteration in T cell differentiation was associated with an augmented oxidative phosphorylation (OXPHOS), and inhibiting the citric acid cycle and the mitochondrial complex II with malonate, an inhibitor of succinate dehydrogenase (SDH), alleviated the αKG-mediated block in Treg differentiation. Impressively, these aKG-mediated changes in the Th1/Treg balance were maintained in vivo, promoting a Th1-like profile in T cells expressing an anti-tumor chimeric antigen receptor (CAR) in tumor-bearing mice. Thus, our data show that low intracellular aKG content, caused by limited external glutamine availability, imposes a Treg phenotype while high aKG levels shift the balance towards a Th1 phenotype.Altogether, the data generated during my PhD will promote the development of metabolic strategies aimed at modulating T cell function and foster the design of nutrient transporter-based approaches that can be used to select T lymphocytes with enhanced anti-tumor effector properties.L’activation des cellules T est initiée suite à la rencontre avec un antigène spécifique. Les études réalisées pour mieux comprendre ce processus d’activation se sont principalement focalisées sur le rôle des cellules présentatrices d'antigènes et des cytokines. Toutefois, des données récentes soulignent également l'importance du microenvironnement métabolique pour soutenir l’augmentation des besoins énergétiques et biosynthétiques liés à la stimulation antigénique. Cette reprogrammation métabolique est conditionnée par la disponibilité en nutriments et la teneur en oxygène qui peuvent être altérés en conditions pathologiques, comme dans des tumeurs. En effet, plusieurs groupes dont le nôtre ont montré qu’en cas de faible disponibilité en nutriments, une compétition peut se créer entre les cellules tumorales et les cellules T, impactant de ce fait négativement leurs fonctions anti-tumorales. Cet effet est dû, du moins en partie, aux profils métaboliques distincts des sous-populations de cellules T; alors que les cellules T effectrices (dont les cellules Th1) sont fortement glycolytiques, les cellules T régulatrices suppressives (Treg) présentent un métabolisme plus mixte avec des niveaux accrus d'oxydation lipidique. Il est donc important de déterminer comment les changements métaboliques des cellules T anti-tumorales affectent leur persistance et leur fonctionnalité. Ainsi, j'ai entrepris des travaux afin d’évaluer si le niveau d’expression du transporteur de glucose Glut1 permettait d’identifier et de sélectionner des cellules T ayant des fonctions effectrices distinctes. Nous avons confirmé cette hypothèse et notamment montré que les cellules T exprimant un niveau élevé de Glut1 possèdent un potentiel de sécrétion d’IFNg accru.De plus, nos travaux montrent que la disponibilité en nutriments extracellulaires est un élément clé pour la différenciation terminale des cellules Th1. En effet, l'activation des cellules T CD4 naïves en conditions limitantes en glutamine induit leur différenciation en cellules Treg Foxp3+. Plus surprenant encore, cette carence induit un blocage de la différenciation Th1 même lors d’une polarisation vers ce lignage. De plus, en conditions de carence en glutamine, nous avons découvert que l'alpha-cétoglutarate (aKG), un métabolite dérivé de la glutamine, rétablit cette différenciation terminale Th1. J'ai ensuite évalué l'impact de l’aKG dans les processus de différenciation Th1/Treg en condition non limitante en glutamine. Mes données montrent que, dans des conditions de polarisation Th1, l’ajout d’aKG améliore la différenciation des cellules T CD4 naïfs en cellules Th1 et augmente la production d’IFNg. A l’inverse, l’ajout d’aKG s’accompagne d’une diminution des cellules Foxp3+ et d’une augmentation de la sécrétion de cytokines inflammatoires dans des conditions de polarisation Treg. L'altération de la différenciation des cellules T médiée par l'aKG est notamment associée à une phosphorylation oxydative (OXPHOS) accrue ; ainsi, l'ajout d’un inhibiteur du cycle de Krebs et du complexe mitochondrial II /succinate déshydrogénase, atténue le blocage de la différenciation Treg induit par l'aKG. De façon remarquable, ces modifications de l'équilibre Th1/Treg médiées par l'aKG sont maintenues in vivo et impactent le devenir de cellules T exprimant un récepteur chimérique anti-tumoral (CAR) injectées chez des souris porteuses de tumeurs. En résumé, nos données montrent qu'une faible teneur en aKG intracellulaire liée à une disponibilité limitée en glutamine, favorise un phénotype Treg, alors que des niveaux élevés d’aKG modifient l'équilibre vers un phénotype Th1.En conclusion, les données générées au cours de ma thèse devraient permettre le développement de stratégies permettant de sélectionner des cellules T ayant des propriétés effectrices anti-tumorales améliorées