Summary

 Tumor maintenance relies on continued activity of driver oncogenes, although their rate-limiting role is highly context dependent. Oncogenic Kras mutation is the signature event in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), serving a critical role in tumor initiation. Here, an inducible Kras^G12D-driven PDAC mouse model establishes that advanced PDAC remains strictly dependent on Kras^G12D expression. Transcriptome and metabolomic analyses indicate that Kras^G12D serves a vital role in controlling tumor metabolism through stimulation of glucose uptake and channeling of glucose intermediates into the hexosamine biosynthesis and pentose phosphate pathways (PPP). These studies also reveal that oncogenic Kras promotes ribose biogenesis. Unlike canonical models, we demonstrate that Kras^G12D drives glycolysis intermediates into the nonoxidative PPP, thereby decoupling ribose biogenesis from NADP/NADPH-mediated redox control. Together, this work provides in vivo mechanistic insights into how oncogenic Kras promotes metabolic reprogramming in native tumors and illuminates potential metabolic targets that can be exploited for therapeutic benefit in PDAC.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is one of the deadliest cancers in western countries, with a median survival of 6 months and an extremely low percentage of long-term surviving patients. KRAS mutations are known to be a driver event of PDAC, but targeting mutant KRAS has proved challenging. Targeting oncogene-driven signalling pathways is a clinically validated approach for several devastating diseases. Still, despite marked tumour shrinkage, the frequency of relapse indicates that a fraction of tumour cells survives shut down of oncogenic signalling. Here we explore the role of mutant KRAS in PDAC maintenance using a recently developed inducible mouse model of mutated Kras (Kras(G12D), herein KRas) in a p53(LoxP/WT) background. We demonstrate that a subpopulation of dormant tumour cells surviving oncogene ablation (surviving cells) and responsible for tumour relapse has features of cancer stem cells and relies on oxidative phosphorylation for survival. Transcriptomic and metabolic analyses of surviving cells reveal prominent expression of genes governing mitochondrial function, autophagy and lysosome activity, as well as a strong reliance on mitochondrial respiration and a decreased dependence on glycolysis for cellular energetics. Accordingly, surviving cells show high sensitivity to oxidative phosphorylation inhibitors, which can inhibit tumour recurrence. Our integrated analyses illuminate a therapeutic strategy of combined targeting of the KRAS pathway and mitochondrial respiration to manage pancreatic cancer.

Jason Locasale, Lewis Cantley, Matthew Vander Heiden and colleagues show that PHGDH is amplified in some human cancers and diverts a relatively large amount of glycolytic carbon into serine and glycine biosynthesis. They further show that PHGDH-amplified cancer cells become dependent on PHGDH for their growth, suggesting that the altered metabolic flux driven by this amplification contributes to oncogenesis. Most tumors exhibit increased glucose metabolism to lactate, however, the extent to which glucose-derived metabolic fluxes are used for alternative processes is poorly understood1,2. Using a metabolomics approach with isotope labeling, we found that in some cancer cells a relatively large amount of glycolytic carbon is diverted into serine and glycine metabolism through phosphoglycerate dehydrogenase (PHGDH). An analysis of human cancers showed that PHGDH is recurrently amplified in a genomic region of focal copy number gain most commonly found in melanoma. Decreasing PHGDH expression impaired proliferation in amplified cell lines. Increased expression was also associated with breast cancer subtypes, and ectopic expression of PHGDH in mammary epithelial cells disrupted acinar morphogenesis and induced other phenotypic alterations that may predispose cells to transformation. Our findings show that the diversion of glycolytic flux into a specific alternate pathway can be selected during tumor development and may contribute to the pathogenesis of human cancer.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is an aggressive disease characterized by an intense fibrotic stromal response and deregulated metabolism. The role of the stroma in PDAC biology is complex and it has been shown to play critical roles that differ depending on the biological context. The stromal reaction also impairs the vasculature, leading to a highly hypoxic, nutrient-poor environment. As such, these tumours must alter how they capture and use nutrients to support their metabolic needs. Here we show that stroma-associated pancreatic stellate cells (PSCs) are critical for PDAC metabolism through the secretion of non-essential amino acids (NEAA). Specifically, we uncover a previously undescribed role for alanine, which outcompetes glucose and glutamine-derived carbon in PDAC to fuel the tricarboxylic acid (TCA) cycle, and thus NEAA and lipid biosynthesis. This shift in fuel source decreases the tumour’s dependence on glucose and serum-derived nutrients, which are limited in the pancreatic tumour microenvironment. Moreover, we demonstrate that alanine secretion by PSCs is dependent on PSC autophagy, a process that is stimulated by cancer cells. Thus, our results demonstrate a novel metabolic interaction between PSCs and cancer cells, in which PSC-derived alanine acts as an alternative carbon source. This finding highlights a previously unappreciated metabolic network within pancreatic tumours in which diverse fuel sources are used to promote growth in an austere tumour microenvironment.

Gene-expression profiles from over 1,000 colorectal tumors define six subtypes with specific phenotypical features, responses to therapy and clinical progression. Colorectal cancer (CRC) is a major cause of cancer mortality. Whereas some patients respond well to therapy, others do not, and thus more precise, individualized treatment strategies are needed. To that end, we analyzed gene expression profiles from 1,290 CRC tumors using consensus-based unsupervised clustering. The resultant clusters were then associated with therapeutic response data to the epidermal growth factor receptor–targeted drug cetuximab in 80 patients. The results of these studies define six clinically relevant CRC subtypes. Each subtype shares similarities to distinct cell types within the normal colon crypt and shows differing degrees of 'stemness' and Wnt signaling. Subtype-specific gene signatures are proposed to identify these subtypes. Three subtypes have markedly better disease-free survival (DFS) after surgical resection, suggesting these patients might be spared from the adverse effects of chemotherapy when they have localized disease. One of these three subtypes, identified by filamin A expression, does not respond to cetuximab but may respond to cMET receptor tyrosine kinase inhibitors in the metastatic setting. Two other subtypes, with poor and intermediate DFS, associate with improved response to the chemotherapy regimen FOLFIRI1 in adjuvant or metastatic settings. Development of clinically deployable assays for these subtypes and of subtype-specific therapies may contribute to more effective management of this challenging disease.

Ferroptotic cell death and cancer Cell death can occur through different mechanisms, several of which are being explored as potential targets for cancer treatment. One form of cell death that has attracted recent interest is ferroptosis, which is triggered by high intracellular levels of lipid reactive oxygen species. Pancreatic cancer cells have high levels of reactive oxygen species but manage to avoid ferroptosis by importing extracellular cysteine. Studying mice bearing pancreatic tumors, Badgley et al. found that administration of a drug inhibiting cysteine import induced tumor-selective ferroptosis and inhibited tumor growth. Further work will be required to determine whether this therapeutic strategy will be effective in human pancreatic cancer, a tumor type for which new treatments are urgently needed. Science , this issue p. 85

Pyruvate kinase M2 (PKM2) is upregulated in multiple cancer types and contributes to the Warburg effect by unclear mechanisms. Here we demonstrate that EGFR-activated ERK2 binds directly to PKM2 Ile 429/Leu 431 through the ERK2 docking groove and phosphorylates PKM2 at Ser 37, but does not phosphorylate PKM1. Phosphorylated PKM2 Ser 37 recruits PIN1 for cis–trans isomerization of PKM2, which promotes PKM2 binding to importin α5 and translocating to the nucleus. Nuclear PKM2 acts as a coactivator of β-catenin to induce c-Myc expression, resulting in the upregulation of GLUT1, LDHA and, in a positive feedback loop, PTB-dependent PKM2 expression. Replacement of wild-type PKM2 with a nuclear translocation-deficient mutant (S37A) blocks the EGFR-promoted Warburg effect and brain tumour development in mice. In addition, levels of PKM2 Ser 37 phosphorylation correlate with EGFR and ERK1/2 activity in human glioblastoma specimens. Our findings highlight the importance of nuclear functions of PKM2 in the Warburg effect and tumorigenesis. Lu and colleagues delineate a pathway through which the PKM2 enzyme promotes aerobic glycolysis, known as the Warburg effect, in cancer cells. They show that EGFR-activated ERK phosphorylates PKM2, leading to its accumulation in the nucleus. Nuclear PKM2 subsequently promotes the c-Myc-dependent upregulation of genes involved in the Warburg effect, resulting in tumour growth.

Live regulatory T cells (Treg cells) suppress antitumor immunity, but how Treg cells behave in the metabolically abnormal tumor microenvironment remains unknown. Here we show that tumor Treg cells undergo apoptosis, and such apoptotic Treg cells abolish spontaneous and PD-L1-blockade-mediated antitumor T cell immunity. Biochemical and functional analyses show that adenosine, but not typical suppressive factors such as PD-L1, CTLA-4, TGF-β, IL-35, and IL-10, contributes to apoptotic Treg-cell-mediated immunosuppression. Mechanistically, apoptotic Treg cells release and convert a large amount of ATP to adenosine via CD39 and CD73, and mediate immunosuppression via the adenosine and A2A pathways. Apoptosis in Treg cells is attributed to their weak NRF2-associated antioxidant system and high vulnerability to free oxygen species in the tumor microenvironment. Thus, the data support a model wherein tumor Treg cells sustain and amplify their suppressor capacity through inadvertent death via oxidative stress. This work highlights the oxidative pathway as a metabolic checkpoint that controls Treg cell behavior and affects the efficacy of therapeutics targeting cancer checkpoints.

Threonine is the only amino acid critically required for the pluripotency of mouse embryonic stem cells (mESCs), but the detailed mechanism remains unclear. We found that threonine and S-adenosylmethionine (SAM) metabolism are coupled in pluripotent stem cells, resulting in regulation of histone methylation. Isotope labeling of mESCs revealed that threonine provides a substantial fraction of both the cellular glycine and the acetyl-coenzyme A (CoA) needed for SAM synthesis. Depletion of threonine from the culture medium or threonine dehydrogenase (Tdh) from mESCs decreased accumulation of SAM and decreased trimethylation of histone H3 lysine 4 (H3K4me3), leading to slowed growth and increased differentiation. Thus, abundance of SAM appears to influence H3K4me3, providing a possible mechanism by which modulation of a metabolic pathway might influence stem cell fate.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is characterized by KRAS- and autophagy-dependent tumorigenic growth, but the role of KRAS in supporting autophagy has not been established. We show that, to our surprise, suppression of KRAS increased autophagic flux, as did pharmacological inhibition of its effector ERK MAPK. Furthermore, we demonstrate that either KRAS suppression or ERK inhibition decreased both glycolytic and mitochondrial functions. We speculated that ERK inhibition might thus enhance PDAC dependence on autophagy, in part by impairing other KRAS- or ERK-driven metabolic processes. Accordingly, we found that the autophagy inhibitor chloroquine and genetic or pharmacologic inhibition of specific autophagy regulators synergistically enhanced the ability of ERK inhibitors to mediate antitumor activity in KRAS-driven PDAC. We conclude that combinations of pharmacologic inhibitors that concurrently block both ERK MAPK and autophagic processes that are upregulated in response to ERK inhibition may be effective treatments for PDAC. Blockade of ERK signaling in KRAS-mutant pancreatic cancer increases the dependence on autophagic flux through different mechanisms and provides a rationale for combinatorial targeting with autophagy inhibitors.