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The role of lactate in CD4+ T cell differentiation and function

Madrigal Avilés, Adrián

In nature, lactate can be found in two different enantiomeric forms, D- and L-lactate. The only difference between both molecules is the rotation angle of one asymmetric carbon atom. However, distinct biological activities and metabolic pathways originate and process one or the other enantiomeric form, respectively. L-lactate is the final metabolite produced from glycolysis, whereas D-lactate arises from methylglyoxal’s detoxification through the glyoxalase system. Although under homeostasis tissular lactate levels are low, during the course of inflammatory processes and cancer development concentrations of both lactates can considerably increase. While L-lactate has been already studied in the context of CD4+ T cells differentiation, nothing was known about the less abundant D- enantiomeric form until now. By supplementing in vitro cultures of Th1 and Th2 cells with exogenous D- or L-lactate, we describe for the first time D-lactate’s enormous potential to enhance Th1 and Th2 functionality. Moreover, addition of either lactate to already differentiated Th1 cells increased expression of several key cytotoxic genes. D-lactate treated Th1 cells greatly upregulated expression of RUNX3, Eomes, GZMB and Perf-1, whereas L-lactate samples showed a more discreet effect. Lactate addition impacted histone acetylation state and metabolic activities like OXPHOS and glycolysis. However, none of these parameters were responsible for D-lactate’s ability to upregulate cytokine production. Differential ROS regulation upon D- or L-lactate treatment was the source of the observed phenotypical differences. D-lactate reduced mitochondrial ROS levels by increasing the activity of the glyoxalase’s pathway. Conversely, L-lactate metabolization increased mitochondrial ROS, thereby impairing cytokine production. Additionally, D-lactate enhanced mTORC1 and ERK signaling, which are both partially responsible for the cytokine burst induced by this enantiomer. mTORC1 increased IFN-g production, whereas ERK was partially responsible for GZMB and Perf-1 upregulation.
In der Natur kommt Laktat in zwei verschiedenen enantiomeren Formen vor, D-Laktat und L-Laktat. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Molekülen ist der Drehwinkel eines asymmetrischen Kohlenstoffatoms. Allerdings werden die beiden enantiomere Formen in unterschiedlichen biologischen Stoffwechselwegen geformt und verarbeitet: L-Lactat ist der Endmetabolit der Glykolyse, während D-Lactat bei der Entgiftung von Methylglyoxal durch das Glyoxalase-System entsteht. In der Homöostase sind die Laktatkonzentrationen im Gewebe zwar niedrig, aber im Verlauf von Entzündungsprozessen und in Tumoren können die Konzentrationen beider Laktate erheblich steigen. Während L-Laktat im Zusammenhang mit der Differenzierung von CD4+ T-Zellen weitgehend untersucht wurde, war über die Wirkung der weniger häufig vorkommenden enantiomere D-Form auf T-Zellen bis lang nichts bekannt. Wir konnten als Erste das enorme Potenzial von D-Laktat, die Th1- und Th2-Funktionalität zu steigern, beschreiben, nachdem wir in vitro-Kulturen von Th1- und Th2-Zellen mit exogenem D- oder L-Laktat behandelten und analysierten. Zudem konnten wir zeigen, dass die Zugabe von beiden Laktaten zu bereits differenzierten Th1-Zellen die Hochregulierung mehrerer zytotoxisch-assoziierten Gene ermöglichte. Die Behandlung von Th1-Zellen mit D-Laktat steigerte die Expression von RUNX3, Eomes, GZMB und Perf-1 erheblich, während die Behandlung mit L-Laktat nur einen diskreten Effekt auf diese Gene zeigte. Die Zugabe von Laktat wirkte sich auf den Zustand der Histon Acetylierung und Stoffwechselaktivitäten, vor allem OXPHOS und Glykolyse, der Zellen aus. Keiner dieser Parameter war jedoch für die Fähigkeit von D-Laktat, die Zytokin-Produktion hochzuregulieren, verantwortlich. Die Ursache für die beobachteten phänotypischen Unterschiede lag in der unterschiedlichen ROS-Regulierung der Zellen nach der Behandlung mit D-Laktat oder L-Laktat. D-Laktat verringerte die mitochondrialen ROS-Werte, indem es die Aktivität des Glyoxalase-Weges erhöhte. Umgekehrt erhöhte die L-Laktat-Metabolisierung die mitochondrialen ROS-Werte, was die Produktion von Zytokinen beeinträchtigte. Darüber hinaus verstärkte D-Laktat die mTORC1- und ERK-Signalwege, welche zu der D-Laktat induzierten Zytokin-Freisetzung beitragen: mTORC1 erhöht die Produktionsmengen von IFN-g, während ERK eine wichtige Rolle für die Hochregulierung von GZMB und Perf-1 spielt.