The phosphoinositide 3-kinase (PI3K) pathway regulates multiple steps in glucose metabolism and also cytoskeletal functions, such as cell movement and attachment. Here, we show that PI3K directly coordinates glycolysis with cytoskeletal dynamics in an AKT-independent manner. Growth factors or insulin stimulate the PI3K-dependent activation of Rac, leading to disruption of the actin cytoskeleton, release of filamentous actin-bound aldolase A, and an increase in aldolase activity. Consistently, PI3K inhibitors, but not AKT, SGK, or mTOR inhibitors, cause a significant decrease in glycolysis at the step catalyzed by aldolase, while activating PIK3CA mutations have the opposite effect. These results point toward a master regulatory function of PI3K that integrates an epithelial cell's metabolism and its form, shape, and function, coordinating glycolysis with the energy-intensive dynamics of actin remodeling.

ABSTRACT Blocking the import of nutrients essential for cancer cell proliferation represents a therapeutic opportunity, but it is unclear which transporters to target. Here, we report a CRISPRi/a screening platform to systematically interrogate the contribution of specific nutrient transporters to support cancer cell proliferation in environments ranging from standard culture media to tumor models. We applied this platform to identify the transporters of amino acids in leukemia cells and found that amino acid transport is characterized by high bidirectional flux that is dependent on the composition of the microenvironment. While investigating the role of transporters in cystine starved cells, we uncovered a novel role for serotonin uptake in preventing ferroptosis. Finally, we identified transporters essential for cell proliferation in subcutaneous tumors and found that levels of glucose and amino acids can restrain proliferation in that environment. This study provides a framework for the systematic identification of critical cellular nutrient transporters, characterizing the function of such transporters, and studying how the tumor microenvironment impacts cancer metabolism.

Abstract Aging is accompanied by multiple molecular changes that contribute to aging-associated pathologies, such as accumulation of cellular damage and mitochondrial dysfunction. Tissue metabolism can also change with age, in part because mitochondria are central to cellular metabolism. Moreover, the co-factor NAD + , which is reported to decline across multiple tissue types during aging, plays a central role in metabolic pathways such as glycolysis, the tricarboxylic acid cycle, and the oxidative synthesis of nucleotides, amino acids, and lipids. To further characterize how tissue metabolism changes with age, we intravenously infused [U- 13 C]-glucose into young and old C57BL/6J, WSB/EiJ, and Diversity Outbred mice to trace glucose fate into downstream metabolites within plasma, liver, gastrocnemius muscle, and brain tissues. We found that glucose incorporation into central carbon and amino acid metabolism was robust during healthy aging across these different strains of mice. We also observed that levels of NAD + , NADH, and the NAD + /NADH ratio were unchanged in these tissues with healthy aging. However, aging tissues, particularly brain, exhibited evidence of up-regulated fatty acid and sphingolipid metabolism reactions that regenerate NAD + from NADH. Because mitochondrial respiration, a major source of NAD + regeneration, is reported to decline with age, our data supports a model where NAD + -generating lipid metabolism reactions may buffer against changes in NAD + /NADH during healthy aging.

ABSTRACT Objective NF1 is a tumor suppressor gene and its protein product, neurofibromin, is the key negative regulator of the RAS pathway. NF1 is one of the top driver mutations in sporadic breast cancer such that 27% of breast cancers exhibit damaging NF1 alterations. NF1 loss-of-function is a frequent event in the genomic evolution of estrogen receptor (ER)+ breast cancer metastasis and endocrine resistance. Individuals with Neurofibromatosis type 1 (NF) – a disorder caused by germline NF1 mutations – have an increased risk of dying from breast cancer [1–4]. NF-related breast cancers are associated with decreased overall survival compared to sporadic breast cancer. Despite numerous studies interrogating the role of RAS mutations in tumor metabolism, no study has comprehensively profiled the NF1 -mutant breast cancer metabolome to define patterns of energetic and metabolic reprogramming. The goals of this investigation were (1) to define the role of NF1 deficiency in estrogen receptor-positive (ER+) breast cancer metabolic reprogramming and (2) to identify potential targeted pathway and metabolic inhibitor combination therapies for NF1 -deficient ER+ breast cancer. Methods We employed two ER+ NF1 -deficient breast cancer models: (1) an NF1 -mutant MCF7 breast cancer cell line to model sporadic breast cancer, and (2) three distinct, Nf1 -deficient rat models to model NF- related breast cancer [1]. IncuCyte proliferation analysis was used to measure the effect of NF1 deficiency on cell proliferation and drug response. Protein quantity was assessed by Western Blot analysis. We then used RNAseq to investigate the transcriptional effect of NF1 deficiency on global and metabolism-related transcription. We measured cellular energetics using Agilent Seahorse XF-96 Glyco Stress Test and Mito Stress Test assays. We performed stable isotope labeling and measured [U- 13 C]- glucose and [U- 13 C]-glutamine metabolite incorporation and measured total metabolite pools using mass spectrometry. Lastly, we used a Bliss synergy model to investigate NF1 -driven changes in targeted and metabolic inhibitor synergy. Results Our results revealed that NF1 deficiency enhanced cell proliferation, altered neurofibromin expression, and increased RAS and PI3K/AKT pathway signaling while constraining oxidative ATP production and restricting energetic flexibility. Neurofibromin deficiency also increased glutamine influx into TCA intermediates and dramatically increased lipid pools, especially triglycerides (TG). Lastly, NF1 deficiency alters the synergy between metabolic inhibitors and traditional targeted inhibitors. This includes increased synergy with inhibitors targeting glycolysis, glutamine metabolism, mitochondrial fatty acid transport, and TG synthesis. Conclusions NF1 deficiency drives metabolic reprogramming in ER+ breast cancer. This reprogramming is characterized by oxidative ATP constraints, glutamine TCA influx, and lipid pool expansion, and these metabolic changes introduce novel metabolic-to-targeted inhibitor synergies. HIGHLIGHTS NF1 deficiency drives metabolic reprogramming in ER+ breast cancer. NF1 -driven metabolic reprogramming is characterized by oxidative ATP constraints, glutamine TCA influx, and lipid pool expansion. NF1 -deficient ER+ breast cancer cells have increased sensitivity to a combination of RAS and triglyceride synthesis inhibitors. Graphical Abstract

ABSTRACT Ferroptosis is a form of cell death caused by lipid peroxidation that is emerging as a target for cancer therapy, highlighting the need to identify factors that govern ferroptosis susceptibility. Lipid peroxidation occurs primarily on phospholipids containing polyunsaturated fatty acids (PUFAs). Here, we show that even though extracellular lipid limitation reduces cellular PUFA levels, lipid-starved cancer cells are paradoxically more sensitive to ferroptosis. Using mass spectrometry-based lipidomics with stable isotope fatty acid labeling, we show that lipid limitation induces a fatty acid trafficking pathway in which PUFAs are liberated from triglycerides to synthesize highly unsaturated PUFAs such as arachidonic acid and adrenic acid. These PUFAs then accumulate in phospholipids, particularly ether phospholipids, to promote ferroptosis sensitivity. Therefore, PUFA levels within cancer cells do not necessarily correlate with ferroptosis susceptibility. Rather, how cancer cells respond to extracellular lipid levels by trafficking PUFAs into proper phospholipid pools dictates their sensitivity to ferroptosis.

The Hippo pathway and its nuclear effector Yap regulate organ size and cancer formation. While many modulators of Hippo activity have been identified, little is known about the Yap target genes that mediate these growth effects. Here, we show that yap-/- mutant zebrafish exhibit defects in hepatic progenitor potential and liver growth due to impaired glucose transport and nucleotide biosynthesis: transcriptomic and metabolomic analyses reveal that Yap regulates expression of glucose transporter glut1, causing decreased glucose uptake and use for nucleotide biosynthesis in yap-/- mutants, and impaired glucose tolerance in adults. Nucleotide supplementation improved Yap-deficiency phenotypes, indicating functional importance of glucose-fuelled nucleotide biosynthesis. Yap-regulated Glut1 expression and glucose uptake are conserved in mammals, suggesting that stimulation of anabolic glucose metabolism is an evolutionarily conserved mechanism by which the Hippo pathway controls organ growth. Together, our results reveal a central role for Hippo signalling in metabolic homeostasis.

Tumors are composed of many different cell types including cancer cells, fibroblasts, and immune cells. Dissecting functional metabolic differences between various cell types within a mixed population can be limited by the rapid turnover of metabolites relative to the time needed to isolate cells. To overcome this challenge, we traced isotope-labeled nutrients into macromolecules that turn over more slowly than metabolites. This approach was used to assess differences between cancer cell and fibroblast metabolism in pancreatic cancer organoid-fibroblast co-cultures and in pancreatic tumors. In these contexts, we find pancreatic cancer cells exhibit increased pyruvate carboxylation relative to fibroblasts, and that this flux depends on both pyruvate carboxylase and malic enzyme 1 activity. Consequently, expression of both enzymes in cancer cells is necessary for organoid and tumor growth, demonstrating that dissecting the metabolism of specific cell populations within heterogeneous systems can identify dependencies that may not be evident from studying isolated cells in culture or bulk tumor tissue.

Abstract Microsporidia are eukaryotic obligate intracellular parasites that infect most animals including humans. To understand how the microbiome can impact microsporidia infection, we tested how bacterial isolates that naturally occur with Caenorhabditis elegans influence infection by the microsporidian Nematocida parisii . Nematodes exposed to two of these bacteria, Chryseobacterium scopthalmum and Sphingobacterium multivorum , exhibit reduced pathogen loads. Using untargeted metabolomics, we show that unsaturated fatty acid levels are disrupted by growth on these bacteria and that supplementation with the polyunsaturated fatty acid linoleic acid can restore full parasite growth in animals cultured on S. multivorum . We also found that two isolates, Pseudomonas lurida and Pseudomonas mendocina, secrete molecules that inactivate N. parisii spores. We determined that P. lurida inhibits N. parisii through the production of massetolides. We then measured 53 additional Pseudomonas strains, 64% of which significantly reduced N. parisii infection. A mixture of Pseudomonas species can greatly limit the amount of infection in C. elegans populations over many generations. Our findings suggest that interactions between bacteria and N. parisii are common and that these bacteria both modulate host metabolism and produce compounds that inhibit microsporidia infection.

Dietary interventions can change metabolite levels in the tumor microenvironment, which may then affect cancer cell metabolism to alter tumor growth. Although caloric restriction (CR) and the ketogenic diet (KD) are often thought to inhibit tumor growth through lowering blood glucose and insulin levels, only CR inhibits the growth of pancreatic ductal adenocarcinoma allografts in mice, demonstrating that this diet can limit tumor growth in other ways. A change in nutrient availability observed with CR, but not the KD, that can contribute to tumor growth inhibition is lower lipid levels in the plasma and in tumor interstitial fluid. Limiting exogenous lipid availability to cultured cancer cells results in up-regulation of stearoyl-CoA desaturase (SCD), an enzyme that converts saturated fatty acids to monounsaturated fatty acids. Fatty acid desaturation is required to dispose of toxic saturated fatty acids, and not because monounsaturated fatty acids are specifically needed for proliferation. Surprisingly, CR also inhibits tumor SCD activity, and enforced SCD expression confers resistance to the effects of CR. Therefore, CR both limits lipid availability and impairs tumor SCD activity, thereby limiting cancer cell adaptation to a diet-induced change in the tumor microenvironment that results in tumor growth inhibition.