The role of lactate in CD4+ T cell differentiation and
function
vorgelegt von
Adrián Madrigal Avilés
an der Fakultät III – Prozesswissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Jens Kurreck
Gutachter: Prof. Dr. Max Loehning
Gutachter: Prof. Dr. Hyun-Dong Chang
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 20. Juli 2023
Berlin 2023
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ABSTRAKT
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
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Produktionsmengen von IFN-, während ERK eine wichtige Rolle für die
Hochregulierung von GZMB und Perf-1 spielt.
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ABSTRACT
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- production, whereas ERK was partially responsible for GZMB
and Perf-1 upregulation.
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List of Abbreviations
Word
Abbreviation
ACetyl-CoA Carboxylase 1
ACC1
ACetyl-CoA LYase
ACCLY
Adenosine TriPhosphate
ATP
Advanced Glycation End ProductS
AGES
Antibody / antibodies
Ab/Abs
Aminoguanidine bicarbonate
AG
Antigen Presenting Cells
APCs
Activator Protein-1
AP-1
Area Under the Curve
AUC
B Cells Receptor
BCR
CellTrace Violet
CTV
Class I-Restricted T cell-Associated Molecule
CRTAM
Cytotoxic T Lymphocytes
CTL
Distal Regulatory Element
DRE
Electron Transport Chain
ETC
Eomesodermin
Eomes
Extracellular signal-Regulated Kinase
ERK
Fatty Acid Oxidation
FAO
Fatty Acid SyNthase
FASN
Fatty Acid Synthesis
FAS
Flavin Adenine Dinucleotide
FAD+/FADH2
German Rheumatism Research Center
DRFZ
GeoMetrical Index
GMI
Glutamate DeHydrogenase
GDH
glutathione
GSH
Glycolytic Reserve
GR
Granzyme
Gzm
Human Leukocyte Antigen
HLA
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