Aerobic glycolysis, or preferential fermentation of glucose-derived pyruvate to lactate despite available oxygen, is associated with proliferation across many organisms and conditions. To better understand that association, we examined the metabolic consequence of activating the pyruvate dehydrogenase complex (PDH) to increase pyruvate oxidation at the expense of fermentation. We find that increasing PDH activity impairs cell proliferation by reducing the NAD+/NADH ratio. This change in NAD+/NADH is caused by increased mitochondrial membrane potential that impairs mitochondrial electron transport and NAD+ regeneration. Uncoupling respiration from ATP synthesis or increasing ATP hydrolysis restores NAD+/NADH homeostasis and proliferation even when glucose oxidation is increased. These data suggest that when demand for NAD+ to support oxidation reactions exceeds the rate of ATP turnover in cells, NAD+ regeneration by mitochondrial respiration becomes constrained, promoting fermentation, despite available oxygen. This argues that cells engage in aerobic glycolysis when the demand for NAD+ is in excess of the demand for ATP.

An open-source, genome-scale human metabolic model and a web portal to explore the model are generated.

Abstract Aerobic glycolysis, or preferential fermentation of glucose-derived pyruvate to lactate despite available oxygen, is a hallmark of proliferative metabolism that is observed across many organisms and conditions. To better understand why aerobic glycolysis is associated with cell proliferation, we examined the metabolic consequence of activating the pyruvate dehydrogenase complex (PDH) to increase mitochondrial pyruvate oxidation at the expense of fermentation. We find that increasing PDH activity impairs cell proliferation by reducing the nicotinamide adenine dinucleotide cofactor ratio (NAD+/NADH). This change in NAD+/NADH ratio is caused by an increase in mitochondrial membrane potential that impairs mitochondrial electron transport and NAD+ regeneration. Uncoupling mitochondrial respiration from ATP synthesis or increasing ATP hydrolysis restores NAD+/NADH homeostasis and proliferation even when glucose oxidation is increased. These data suggest that when the demand for NAD+ to support oxidation reactions exceeds the demand for ATP consumption in cells, NAD+ regeneration by mitochondrial respiration becomes constrained, promoting fermentation despite available oxygen. This argues that cells engage in aerobic glycolysis when the cellular demand for NAD+ is in excess of the cellular demand for ATP.

ABSTRACT Control of cellular identity requires coordination of developmental programs with environmental factors such as nutrient availability, suggesting that modulating aspects of metabolism could alter cell state along differentiation trajectories. Here we find that nucleotide depletion and DNA replication stress are common drivers of cell state progression across a variety of normal and transformed hematopoietic systems. DNA replication stress-induced cell state transitions begin during S phase and are independent of ATR/ATM checkpoint signaling, double-stranded DNA break formation, and changes in cell cycle length. In systems where differentiation is blocked by oncogenic transcription factor expression, replication stress leads to increased activity at primed regulatory loci and expression of lineage-appropriate maturation genes while progenitor TF activity is still present. Altering the baseline cell state by manipulating the cohort of transcription factors expressed redirects the effect of replication stress towards induction of a different set of lineage-specific genes. The ability of replication stress to selectively activate primed maturation programs across different cellular contexts suggests a general mechanism by which metabolism can promote lineage-appropriate and potentially therapeutically relevant cell state transitions.

A challenge for screening new candidate drugs to treat cancer is that efficacy in cell culture models is not always predictive of efficacy in patients. One limitation of standard cell culture is a reliance on non-physiological nutrient levels to propagate cells. Which nutrients are available can influence how cancer cells use metabolism to proliferate and impact sensitivity to some drugs, but a general assessment of how physiological nutrients affect cancer cell response to small molecule therapies is lacking. To enable screening of compounds to determine how the nutrient environment impacts drug efficacy, we developed a serum-derived culture medium that supports the proliferation of diverse cancer cell lines and is amenable to high-throughput screening. We used this system to screen several small molecule libraries and found that compounds targeting metabolic enzymes were enriched as having differential efficacy in standard compared to serum-derived medium. We exploited the differences in nutrient levels between each medium to understand why medium conditions affected the response of cells to some compounds, illustrating how this approach can be used to screen potential therapeutics and understand how their efficacy is modified by available nutrients.

Abstract The metastasis of cancer to the brain is a major contributor to patient morbidity and mortality. Prior work suggests that there is therapeutic potential in targeting metabolic processes within brain metastatic cancer, however how best to identify novel targets and select patient populations remains unclear. In this study, we determine what nutrients are available to breast cancer cells in the brain and how those nutrients are used. We also engineer breast cancer cells that are auxotrophic for specific nutrients and assess how this impacts tumor growth in the brain using various approaches. These methodologies include direct implantation into the brain and introduction into the circulation to evaluate tumor formation as brain metastases. Unexpectedly, we find that no single approach, including assessment of brain nutrient availability, tumor biosynthetic activity, and evaluation of genetic dependencies using in vivo CRISPR screens reliably predicts metabolic dependencies that broadly extend across models of breast cancer brain metastasis. Our findings underscore the necessity of a holistic approach in considering how best to identify and prioritize new targets for treating metastatic cancer. Citation Format: Keene L. Abbott, Sonu Subudhi, Raphael Ferreira, Yetiş Gültekin, Sophie C. Steinbuch, Sophie E. Honeder, Ashwin S Kumar, Michelle Wu, Diya Ramesh, Jacob Hansen, Lisa M. Riedmayr, Mark Duquette, Ahmed Ali, Nicole Henning, Sharanya Sivanand, Tenzin Kunchok, Millenia Waite, Brian T. Do, Virginia Spanoudaki, Francisco J. Sánchez-Rivera, George M. Church, Rakesh K Jain, Matthew G. Vander Heiden. Assessment of metabolic vulnerabilities of breast cancer brain metastasis [abstract]. In: Proceedings of the AACR Special Conference in Cancer Research: Expanding and Translating Cancer Synthetic Vulnerabilities; 2024 Jun 10-13; Montreal, Quebec, Canada. Philadelphia (PA): AACR; Mol Cancer Ther 2024;23(6 Suppl):Abstract nr A007.

Control of cellular identity requires coordination of developmental programs with environmental factors such as nutrient availability, suggesting that perturbing metabolism can alter cell state. Here, we find that nucleotide depletion and DNA replication stress drive differentiation in human and murine normal and transformed hematopoietic systems, including patient-derived acute myeloid leukemia (AML) xenografts. These cell state transitions begin during S phase and are independent of ATR/ATM checkpoint signaling, double-stranded DNA break formation, and changes in cell cycle length. In systems where differentiation is blocked by oncogenic transcription factor expression, replication stress activates primed regulatory loci and induces lineage-appropriate maturation genes despite the persistence of progenitor programs. Altering the baseline cell state by manipulating transcription factor expression causes replication stress to induce genes specific for alternative lineages. The ability of replication stress to selectively activate primed maturation programs across different contexts suggests a general mechanism by which changes in metabolism can promote lineage-appropriate cell state transitions.

Abstract As we enter the era of CRISPR medicines, base editors (BEs) emerged as one of the most promising tools to treat genetic associated diseases. However, unintended bystander editing beyond the target nucleotide poses a challenge to their translation into effective therapies. While many efforts have been made in the design of a universal enzyme with minimal bystander editing, the context dependent activity represents a major challenge for base editing-based therapies. In this work, we designed a sequence-specific guide RNA library with 3’-extensions and detected guides that were able to reduce bystander and increase editing efficiency in a context dependent manner. The best candidate was later used for phage assisted non-continuous evolution to find a new generation of precise base editors. Simultaneously, we use protein language models trained on massive protein sequence datasets to find the evolutionarily plausible mutational patterns that can improve deaminase activity and precision. Both strategies provide a collection of precise TadA variants that not only drastically reduced bystander edits, but also was not in detriment of on-target activity. Our findings introduce a guide/enzyme parallel engineering pipeline, which lays the foundation for the development of new personalized genome editing strategies, ultimately enhancing the safety and precision of this groundbreaking technology.

Abstract The production of bio-based chemicals and fuels through microbial engineering offers a promising and sustainable alternative to petroleum-based fuels and chemicals, with the potential for scalability. However, engineering microbes and continuously evolving them to enhance the production of industrially relevant products is a complex and challenging task, requiring precise selection of genetic traits to achieve desired outcomes. In this study, we report the development of a novel counter-selectable growth-sensitive malonyl-CoA platform strain by coupling the malonyl-CoA repressor FapR from Bacillus subtilis to essential gene promoters involved in glucose growth and the plasma membrane arginine permease. This platform strain was then coupled with a CRISPR-dCas9 guide-RNA (gRNA) library, which after multiple rounds of dilutions and library sequencing, resulted in the enrichment for gRNAs that increased fluxes towards malonyl-CoA. The enriched gRNAs were validated for their effects on growth enhancement, gene regulation, and the production of an industrially relevant malonyl-CoA product, namely 3-hydroxypropionic acid. This study highlights an innovative approach to microbial engineering and opens up avenues for further exploration in the field of laboratory continuous evolution.