The role of the transcriptional regulator Lmo4 in CD8+ T cell stemness, memory formation and antitumor immunity

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	29 January 2025
Referee:	Prof. Dr. Wolfgang Herr
Date of exam:	14 January 2025
Institutions:	Medicine > Lehrstuhl für Innere Medizin III (Hämatologie und Internistische Onkologie)
Keywords:	transcriptional regulation; Lmo4; CD8⁺ T cell; stemness; memory formation; antitumor immunity
Dewey Decimal Classification:	600 Technology > 610 Medical sciences Medicine
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	74620

Abstract (English)

High frequencies of stem-like memory T cells in infusion products correlate with superior patient outcomes across multiple T cell therapy trials. Herein, we analyzed a published CRISPR activation screening to identify transcriptional regulators that could be harnessed to augment stem-like behavior in CD8⁺ T cells. Using IFN-γ production as a proxy for CD8⁺ T cell terminal differentiation, LMO4 ...

Abstract (English)

High frequencies of stem-like memory T cells in infusion products correlate with superior patient outcomes across multiple T cell therapy trials. Herein, we analyzed a published CRISPR activation screening to identify transcriptional regulators that could be harnessed to augment stem-like behavior in CD8⁺ T cells. Using IFN-γ production as a proxy for CD8⁺ T cell terminal differentiation, LMO4 emerged among the top hits inhibiting the development of effectors cells. Consistently, we found that Lmo4 was downregulated upon CD8⁺ T cell activation but maintained under culture conditions facilitating the formation of stem-like T cells. By employing a synthetic biology approach to ectopically express LMO4 in antitumor CD8⁺ T cells, we enabled selective expansion and enhanced persistence of transduced cells, while limiting their terminal differentiation and senescence. LMO4 overexpression promoted transcriptional programs regulating stemness, increasing the numbers of stem-like CD8⁺ memory T cells and enhancing their polyfunctionality and recall capacity. When tested in syngeneic and xenograft tumor models, LMO4 overexpression boosted CD8⁺ T cell antitumor immunity, resulting in enhanced tumor regression. Rather than directly modulating gene transcription, LMO4 bound to JAK1 and potentiated STAT3 signaling in response to IL-21, inducing the expression of target genes (Tcf7, Socs3, Junb, and Zfp36) crucial for memory responses. CRISPR/Cas9-deletion of Stat3 nullified the enhanced memory signature conferred by LMO4, thereby abrogating the therapeutic benefit of LMO4 overexpression. These results establish LMO4 overexpression as an effective strategy to boost CD8⁺ T cell stemness, providing a new synthetic biology tool to bolster the efficacy of T cell-based immunotherapies.

Translation of the abstract (German)

Ein hoher Anteil stammzellähnlicher Gedächtnis-T-Zellen in Infusionsprodukten korreliert in mehreren Studien zur T-Zell-Therapie mit einer verbesserten Überlebensrate der Patienten. In der vorliegenden Arbeit haben wir ein veröffentlichtes CRISPR-Aktivierungsscreen analysiert, um Transkriptionsregulatoren zu identifizieren, die das stammzellähnliche Verhalten von CD8⁺-T-Zellen fördern könnten. ...

Translation of the abstract (German)

Ein hoher Anteil stammzellähnlicher Gedächtnis-T-Zellen in Infusionsprodukten korreliert in mehreren Studien zur T-Zell-Therapie mit einer verbesserten Überlebensrate der Patienten. In der vorliegenden Arbeit haben wir ein veröffentlichtes CRISPR-Aktivierungsscreen analysiert, um Transkriptionsregulatoren zu identifizieren, die das stammzellähnliche Verhalten von CD8⁺-T-Zellen fördern könnten. Dabei wurde LMO4 als einer der Hauptfaktoren identifiziert, der die Entwicklung von Effektorzellen hemmt, basierend auf der IFN-γ-Produktion als Marker für die terminale Differenzierung. Wir stellten fest, dass Lmo4 während der Aktivierung von CD8⁺-T-Zellen herunterreguliert wird, jedoch unter Kulturbedingungen, die die Bildung stammzellähnlicher T-Zellen fördern, erhalten bleibt. Die gezielte ektopische Expression von LMO4 in tumorspezifischen CD8⁺-T-Zellen führte zu einer selektiven Expansion und verbesserten Persistenz der transduzierten Zellen, während ihre terminale Differenzierung und Seneszenz reduziert wurden. Die Überexpression von LMO4 aktivierte Transkriptionsprogramme, die die Stammzellbildung regulieren, erhöhte die Frequenz stammzellähnlicher Gedächtnis-T-Zellen und verbesserte deren Polyfunktionalität. In syngenen und Xenotransplantat-Tumormodellen zeigte sich, dass LMO4 die Antitumor-Immunität von CD8⁺-T-Zellen signifikant verstärkte. Anstatt direkt die Gentranskription zu modulieren, interagierte LMO4 mit JAK1 und verstärkte die STAT3-Signalübertragung als Antwort auf IL-21. Dies führte zur Induktion von Zielgenen wie Tcf7, Socs3, Junb und Zfp36, die essenziell für die Gedächtnisbildung sind. Die gezielte CRISPR/Cas9-Deletion von Stat3 hob die durch LMO4 vermittelte Gedächtnisbildung auf und eliminierte damit auch den therapeutischen Nutzen der LMO4-Überexpression. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Überexpression von LMO4 eine effektive Strategie zur Förderung der stammzellähnlichen Eigenschaften von CD8⁺-T-Zellen darstellt. Sie eröffnet neue Perspektiven in der synthetischen Biologie, um die Wirksamkeit T-zellbasierter Immuntherapien nachhaltig zu steigern.

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