A complex interplay of environmental factors impacts the metabolism of human cells, but neither traditional culture media nor mouse plasma mimic the metabolite composition of human plasma. Here, we developed a culture medium with polar metabolite concentrations comparable to those of human plasma (human plasma-like medium [HPLM]). Culture in HPLM, relative to that in traditional media, had widespread effects on cellular metabolism, including on the metabolome, redox state, and glucose utilization. Among the most prominent was an inhibition of de novo pyrimidine synthesis-an effect traced to uric acid, which is 10-fold higher in the blood of humans than of mice and other non-primates. We find that uric acid directly inhibits uridine monophosphate synthase (UMPS) and consequently reduces the sensitivity of cancer cells to the chemotherapeutic agent 5-fluorouracil. Thus, media that better recapitulates the composition of human plasma reveals unforeseen metabolic wiring and regulation, suggesting that HPLM should be of broad utility.

Abstract All dividing cells require the essential vitamin folate. Hematopoietic cells harbor a unique sensitivity to folate deprivation, as implied by the development of folate-deficient anemia and the utility of anti-folate chemotherapy in blood cancer. To study this metabolic sensitivity, we applied mild folate depletion to human and mouse erythroid cell lines, as well as primary murine erythroid progenitors. We show that folate depletion induces early blockade of purine synthesis that is followed by enhanced heme metabolism, hemoglobin synthesis and erythroid differentiation. This finding is phenocopied by inhibition of folate metabolism using SHIN1, an inhibitor of the folate enzymes SHMT1/2. The metabolically-driven differentiation is rescued by supplementation of purine precursors, yet occurs independent of nucleotide sensing through mTORC1 and AMPK. Our work profiles the metabolic response to folate depletion in erythroid cells and suggest that premature differentiation of folate-deprived erythroid progenitor cells is a mechanistic etiology to folate-deficiency induced anemia.

The embryonic cerebrospinal fluid (eCSF) plays an essential role in the development of the central nervous system (CNS), influencing processes from neurogenesis to lifelong cognitive functions. An important process affecting eCSF composition is inflammation. Inflammation during development can be studied using the maternal immune activation (MIA) mouse model, which displays altered cytokine eCSF composition and mimics neurodevelopmental disorders including autism spectrum disorder (ASD). The limited nature of eCSF as a biosample restricts its research and has hindered our understanding of the eCSF's role in brain pathologies. Specifically, investigation of the small molecule composition of the eCSF is lacking, leaving this aspect of the eCSF composition under-studied. We report here the eCSF metabolome as a resource for investigating developmental neuropathologies from a metabolic perspective. Our reference metabolome includes comprehensive MS

Tissues are exposed to diverse inflammatory challenges that shape future inflammatory responses. While cellular metabolism regulates immune function, how metabolism programs and stabilizes immune states within tissues and tunes susceptibility to inflammation is poorly understood. Here, we describe an innate immune metabolic switch that programs long-term intestinal tolerance. Intestinal interleukin-18 (IL-18) stimulation elicited tolerogenic macrophages by preventing their proinflammatory glycolytic polarization via metabolic reprogramming to fatty acid oxidation (FAO). FAO reprogramming was triggered by IL-18 activation of SLC12A3 (NCC), leading to sodium influx, release of mitochondrial DNA, and activation of stimulator of interferon genes (STING). FAO was maintained in macrophages by a bistable switch that encoded memory of IL-18 stimulation and by intercellular positive feedback that sustained the production of macrophage-derived 2′3′-cyclic GMP–AMP (cGAMP) and epithelial-derived IL-18. Thus, a tissue-reinforced metabolic switch encodes durable immune tolerance in the gut and may enable reconstructing compromised immune tolerance in chronic inflammation.

Abstract Mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) complexes are assembled from proteins encoded by both nuclear and mitochondrial DNA. These dual-origin enzymes pose a complex gene regulatory challenge for cells, in which gene expression must be coordinated across organelles using distinct pools of ribosomes. How cells produce and maintain the accurate subunit stoichiometries for these OXPHOS complexes remains largely unknown. To identify genes involved in dual-origin protein complex synthesis, we performed FACS-based genome-wide screens analyzing mutant cells with unbalanced levels of mitochondrial- and nuclear-encoded subunits of cytochrome c oxidase (Complex IV). We identified novel genes involved in OXPHOS biogenesis, including two uncharacterized genes: PREPL and NME6 . We found that PREPL specifically regulates Complex IV biogenesis by interacting with mitochondrial protein synthesis machinery, while NME6, an uncharacterized nucleoside diphosphate kinase (NDPK), controls OXPHOS complex biogenesis through multiple mechanisms reliant on its NDPK domain. First, NME6 maintains local mitochondrial pyrimidine triphosphate levels essential for mitochondrial RNA abundance. Second, through stabilizing interactions with RCC1L, NME6 modulates the activity of mitoribosome regulatory complexes, leading to disruptions in mitoribosome assembly and mitochondrial RNA pseudouridylation. Taken together, we propose that NME6 acts as a link between compartmentalized mitochondrial metabolites and mitochondrial gene expression. Finally, we present these screens as a resource, providing a catalog of genes involved in mitonuclear gene regulation and OXPHOS biogenesis.

Mass spectrometry-based metabolomics allows for the quantitation of metabolite levels in diverse biological samples. The traditional method of converting peak areas to absolute concentrations involves the use of matched heavy isotopologues. However, this approach is laborious and limited to a small number of metabolites. We addressed these limitations by developing PyxisTM, a machine learning-based technology which converts raw mass spectrometry data to absolute concentration measurements without the need for per-analyte standards. Here, we demonstrate Pyxis performance by quantifying metabolome concentration dynamics in murine blood plasma. Pyxis performed equivalently to traditional quantitation workflows used by research institutions, with a fraction of the time needed for analysis. We show that absolute quantitation by Pyxis can be expanded to include concentrations for additional metabolites, without the need to acquire new data. Furthermore, Pyxis allows for absolute quantitation as part of an untargeted metabolomics workflow. By removing the bottleneck of per-analyte standards, Pyxis allows for absolute quantitation in metabolomics that is scalable to large numbers of metabolites. The ability of Pyxis to make concentration-based measurements across the metabolome has the potential to deepen our understanding of diverse metabolic perturbations.

Ferredoxins are a family of iron-sulfur (Fe-S) cluster proteins that serve as essential electron donors in numerous cellular processes that are conserved through evolution. The promiscuous nature of ferredoxins as electron donors enables them to participate in many metabolic processes including steroid, heme, vitamin D and Fe-S cluster biosynthesis in different organisms. However, the unique natural function(s) of each of the two human ferredoxins (FDX1 and FDX2) are still poorly characterized. We recently reported that FDX1 is both a crucial regulator of copper ionophore induced cell death and serves as an upstream regulator of cellular protein lipoylation, a mitochondrial lipid-based post translational modification naturally occurring on four mitochondrial enzymes that are crucial for TCA cycle function. Here we show that FDX1 regulates protein lipoylation by directly binding to the lipoyl synthase (LIAS) enzyme and not through indirect regulation of cellular Fe-S cluster biosynthesis. Metabolite profiling revealed that the predominant cellular metabolic outcome of FDX1 loss-of-function is manifested through the regulation of the four lipoylation-dependent enzymes ultimately resulting in loss of cellular respiration and sensitivity to mild glucose starvation. Transcriptional profiling of cells growing in either normal or low glucose conditions established that FDX1 loss-of-function results in the induction of both compensatory metabolism related genes and the integrated stress response, consistent with our findings that FDX1 loss-of-functions is conditionally lethal. Together, our findings establish that FDX1 directly engages with LIAS, promoting cellular protein lipoylation, a process essential in maintaining cell viability under low glucose conditions.

The cerebrospinal fluid (CSF) serves various roles in the developing central nervous system (CNS), from neurogenesis to lifelong cognitive functions. Changes in CSF composition due to inflammation can impact brain function. We recently identified an abnormal cytokine signature in embryonic CSF (eCSF) following maternal immune activation (MIA), a mouse model of autism spectrum disorder (ASD). We hypothesized that MIA leads to other alterations in eCSF composition and employed untargeted metabolomics to profile changes in the eCSF metabolome in mice after inducing MIA with polyI:C. We report these data here as a resource, include a comprehensive MS1 and MS2 reference dataset, and present additional datasets comparing two mouse strains (CD-1 and C57Bl/6) and two developmental time points (E12.5 and E14.5). Targeted metabolomics further validated changes upon MIA. We show a significant elevation of glucocorticoids and kynurenine pathway related metabolites. Both pathways are relevant for suppressing inflammation or could be informative as disease biomarkers. Our resource should inform future mechanistic studies regarding the etiology of MIA neuropathology and roles and contributions of eCSF metabolites to brain development.

It is increasingly appreciated that cancer cells adapt their metabolic pathways to support rapid growth and proliferation as well as survival, often even under the poor nutrient conditions that characterize some tumors. Cancer cells can also rewire their metabolism to circumvent chemotherapeutics that inhibit core metabolic pathways, such as nucleotide synthesis. A critical approach to the study of cancer metabolism is metabolite profiling (metabolomics), the set of technologies, usually based on mass spectrometry, that allow for the detection and quantification of metabolites in cancer cells and their environments. Metabolomics is a burgeoning field, driven by technological innovations in mass spectrometers, as well as novel approaches to isolate cells, subcellular compartments, and rare fluids, such as the interstitial fluid of tumors. Here, we discuss three emerging metabolomic technologies: spatial metabolomics, single-cell metabolomics, and organellar metabolomics. The use of these technologies along with more established profiling methods, like single-cell transcriptomics and proteomics, is likely to underlie new discoveries and questions in cancer research.

A central problem in cancer immunotherapy with immune checkpoint blockade (ICB) is the development of resistance, which affects 50% of patients with metastatic melanoma 1,2 . T cell exhaustion, resulting from chronic antigen exposure in the tumour microenvironment, is a major driver of ICB resistance 3 . Here, we show that CD38, an ecto-enzyme involved in nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) catabolism, is highly expressed in exhausted CD8 + T cells in melanoma and is associated with ICB resistance. Tumour-derived CD38 hi CD8 + T cells are dysfunctional, characterised by impaired proliferative capacity, effector function, and dysregulated mitochondrial bioenergetics. Genetic and pharmacological blockade of CD38 in murine and patient-derived organotypic tumour models (MDOTS/PDOTS) enhanced tumour immunity and overcame ICB resistance. Mechanistically, disrupting CD38 activity in T cells restored cellular NAD + pools, improved mitochondrial function, increased proliferation, augmented effector function, and restored ICB sensitivity. Taken together, these data demonstrate a role for the CD38-NAD + axis in promoting T cell exhaustion and ICB resistance, and establish the efficacy of CD38 directed therapeutic strategies to overcome ICB resistance using clinically relevant, patient-derived 3D tumour models.