Summary

 Ferroptosis is a form of nonapoptotic cell death for which key regulators remain unknown. We sought a common mediator for the lethality of 12 ferroptosis-inducing small molecules. We used targeted metabolomic profiling to discover that depletion of glutathione causes inactivation of glutathione peroxidases (GPXs) in response to one class of compounds and a chemoproteomics strategy to discover that GPX4 is directly inhibited by a second class of compounds. GPX4 overexpression and knockdown modulated the lethality of 12 ferroptosis inducers, but not of 11 compounds with other lethal mechanisms. In addition, two representative ferroptosis inducers prevented tumor growth in xenograft mouse tumor models. Sensitivity profiling in 177 cancer cell lines revealed that diffuse large B cell lymphomas and renal cell carcinomas are particularly susceptible to GPX4-regulated ferroptosis. Thus, GPX4 is an essential regulator of ferroptotic cancer cell death.

Succinate is identified as a metabolite in innate immune signalling, which leads to enhanced interleukin-1β production during inflammation. The bacterial endotoxin lipopolysaccharide activates macrophages, as part of the innate immunity response, by inducing a shift from oxidative to glycolytic metabolism. Gillian Tannahill et al. show here that lipopolysaccharide increases levels of the tricarboxylic acid cycle intermediate succinate in macrophages through a metabolic process not previously reported in macrophages, the 'GABA shunt'. Succinate in turn drives the key pro-inflammatory cytokine interleukin-1β. Macrophages activated by the Gram-negative bacterial product lipopolysaccharide switch their core metabolism from oxidative phosphorylation to glycolysis1. Here we show that inhibition of glycolysis with 2-deoxyglucose suppresses lipopolysaccharide-induced interleukin-1β but not tumour-necrosis factor-α in mouse macrophages. A comprehensive metabolic map of lipopolysaccharide-activated macrophages shows upregulation of glycolytic and downregulation of mitochondrial genes, which correlates directly with the expression profiles of altered metabolites. Lipopolysaccharide strongly increases the levels of the tricarboxylic-acid cycle intermediate succinate. Glutamine-dependent anerplerosis is the principal source of succinate, although the ‘GABA (γ-aminobutyric acid) shunt’ pathway also has a role. Lipopolysaccharide-induced succinate stabilizes hypoxia-inducible factor-1α, an effect that is inhibited by 2-deoxyglucose, with interleukin-1β as an important target. Lipopolysaccharide also increases succinylation of several proteins. We therefore identify succinate as a metabolite in innate immune signalling, which enhances interleukin-1β production during inflammation.

Emerging technologies allow the high-throughput profiling of metabolic status from a blood specimen (metabolomics). We investigated whether metabolite profiles could predict the development of diabetes. Among 2,422 normoglycemic individuals followed for 12 years, 201 developed diabetes. Amino acids, amines and other polar metabolites were profiled in baseline specimens by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS). Cases and controls were matched for age, body mass index and fasting glucose. Five branched-chain and aromatic amino acids had highly significant associations with future diabetes: isoleucine, leucine, valine, tyrosine and phenylalanine. A combination of three amino acids predicted future diabetes (with a more than fivefold higher risk for individuals in top quartile). The results were replicated in an independent, prospective cohort. These findings underscore the potential key role of amino acid metabolism early in the pathogenesis of diabetes and suggest that amino acid profiles could aid in diabetes risk assessment.

Aberrant activation of the mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) is a common molecular event in a variety of pathological settings, including genetic tumor syndromes, cancer, and obesity. However, the cell-intrinsic consequences of mTORC1 activation remain poorly defined. Through a combination of unbiased genomic, metabolomic, and bioinformatic approaches, we demonstrate that mTORC1 activation is sufficient to stimulate specific metabolic pathways, including glycolysis, the oxidative arm of the pentose phosphate pathway, and de novo lipid biosynthesis. This is achieved through the activation of a transcriptional program affecting metabolic gene targets of hypoxia-inducible factor (HIF1α) and sterol regulatory element-binding protein (SREBP1 and SREBP2). We find that SREBP1 and 2 promote proliferation downstream of mTORC1, and the activation of these transcription factors is mediated by S6K1. Therefore, in addition to promoting protein synthesis, mTORC1 activates specific bioenergetic and anabolic cellular processes that are likely to contribute to human physiology and disease.

Abstract The Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) programme seeks to elucidate the genetic architecture and biology of heart, lung, blood and sleep disorders, with the ultimate goal of improving diagnosis, treatment and prevention of these diseases. The initial phases of the programme focused on whole-genome sequencing of individuals with rich phenotypic data and diverse backgrounds. Here we describe the TOPMed goals and design as well as the available resources and early insights obtained from the sequence data. The resources include a variant browser, a genotype imputation server, and genomic and phenotypic data that are available through dbGaP (Database of Genotypes and Phenotypes) 1 . In the first 53,831 TOPMed samples, we detected more than 400 million single-nucleotide and insertion or deletion variants after alignment with the reference genome. Additional previously undescribed variants were detected through assembly of unmapped reads and customized analysis in highly variable loci. Among the more than 400 million detected variants, 97% have frequencies of less than 1% and 46% are singletons that are present in only one individual (53% among unrelated individuals). These rare variants provide insights into mutational processes and recent human evolutionary history. The extensive catalogue of genetic variation in TOPMed studies provides unique opportunities for exploring the contributions of rare and noncoding sequence variants to phenotypic variation. Furthermore, combining TOPMed haplotypes with modern imputation methods improves the power and reach of genome-wide association studies to include variants down to a frequency of approximately 0.01%.

The inflammatory bowel diseases (IBDs), which include Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), are multifactorial chronic conditions of the gastrointestinal tract. While IBD has been associated with dramatic changes in the gut microbiota, changes in the gut metabolome—the molecular interface between host and microbiota—are less well understood. To address this gap, we performed untargeted metabolomic and shotgun metagenomic profiling of cross-sectional stool samples from discovery (n = 155) and validation (n = 65) cohorts of CD, UC and non-IBD control patients. Metabolomic and metagenomic profiles were broadly correlated with faecal calprotectin levels (a measure of gut inflammation). Across >8,000 measured metabolite features, we identified chemicals and chemical classes that were differentially abundant in IBD, including enrichments for sphingolipids and bile acids, and depletions for triacylglycerols and tetrapyrroles. While > 50% of differentially abundant metabolite features were uncharacterized, many could be assigned putative roles through metabolomic ‘guilt by association’ (covariation with known metabolites). Differentially abundant species and functions from the metagenomic profiles reflected adaptation to oxidative stress in the IBD gut, and were individually consistent with previous findings. Integrating these data, however, we identified 122 robust associations between differentially abundant species and well-characterized differentially abundant metabolites, indicating possible mechanistic relationships that are perturbed in IBD. Finally, we found that metabolome- and metagenome-based classifiers of IBD status were highly accurate and, like the vast majority of individual trends, generalized well to the independent validation cohort. Our findings thus provide an improved understanding of perturbations of the microbiome–metabolome interface in IBD, including identification of many potential diagnostic and therapeutic targets. Using metabolomics and shotgun metagenomics on stool samples from individuals with and without inflammatory bowel disease, metabolites, microbial species and genes associated with disease were identified and validated in an independent cohort.

Metabolic reprogramming has been proposed to be a hallmark of cancer, yet a systematic characterization of the metabolic pathways active in transformed cells is currently lacking. Using mass spectrometry, we measured the consumption and release (CORE) profiles of 219 metabolites from media across the NCI-60 cancer cell lines, and integrated these data with a preexisting atlas of gene expression. This analysis identified glycine consumption and expression of the mitochondrial glycine biosynthetic pathway as strongly correlated with rates of proliferation across cancer cells. Antagonizing glycine uptake and its mitochondrial biosynthesis preferentially impaired rapidly proliferating cells. Moreover, higher expression of this pathway was associated with greater mortality in breast cancer patients. Increased reliance on glycine may represent a metabolic vulnerability for selectively targeting rapid cancer cell proliferation.

Aspirin therapy inhibits prostaglandin biosynthesis without directly acting on lipoxygenases, yet via acetylation of cyclooxygenase 2 (COX-2) it leads to bioactive lipoxins (LXs) epimeric at carbon 15 (15-epi-LX, also termed aspirin-triggered LX [ATL]). Here, we report that inflammatory exudates from mice treated with ω-3 polyunsaturated fatty acid and aspirin (ASA) generate a novel array of bioactive lipid signals. Human endothelial cells with upregulated COX-2 treated with ASA converted C20:5 ω-3 to 18R-hydroxyeicosapentaenoic acid (HEPE) and 15R-HEPE. Each was used by polymorphonuclear leukocytes to generate separate classes of novel trihydroxy-containing mediators, including 5-series 15R-LX5 and 5,12,18R-triHEPE. These new compounds proved to be potent inhibitors of human polymorphonuclear leukocyte transendothelial migration and infiltration in vivo (ATL analogue > 5,12,18R-triHEPE > 18R-HEPE). Acetaminophen and indomethacin also permitted 18R-HEPE and 15R-HEPE generation with recombinant COX-2 as well as ω-5 and ω-9 oxygenations of other fatty acids that act on hematologic cells. These findings establish new transcellular routes for producing arrays of bioactive lipid mediators via COX-2–nonsteroidal antiinflammatory drug–dependent oxygenations and cell–cell interactions that impact microinflammation. The generation of these and related compounds provides a novel mechanism(s) for the therapeutic benefits of ω-3 dietary supplementation, which may be important in inflammation, neoplasia, and vascular diseases.

Summary

 Macrophages activated by the TLR4 agonist LPS undergo dramatic changes in their metabolic activity. We here show that LPS induces expression of the key metabolic regulator Pyruvate Kinase M2 (PKM2). Activation of PKM2 using two well-characterized small molecules, DASA-58 and TEPP-46, inhibited LPS-induced Hif-1α and IL-1β, as well as the expression of a range of other Hif-1α-dependent genes. Activation of PKM2 attenuated an LPS-induced proinflammatory M1 macrophage phenotype while promoting traits typical of an M2 macrophage. We show that LPS-induced PKM2 enters into a complex with Hif-1α, which can directly bind to the IL-1β promoter, an event that is inhibited by activation of PKM2. Both compounds inhibited LPS-induced glycolytic reprogramming and succinate production. Finally, activation of PKM2 by TEPP-46 in vivo inhibited LPS and Salmonella typhimurium-induced IL-1β production, while boosting production of IL-10. PKM2 is therefore a critical determinant of macrophage activation by LPS, promoting the inflammatory response.