Most deaths from cancer are explained by metastasis, and yet large-scale metastasis research has been impractical owing to the complexity of in vivo models. Here we introduce an in vivo barcoding strategy that is capable of determining the metastatic potential of human cancer cell lines in mouse xenografts at scale. We validated the robustness, scalability and reproducibility of the method and applied it to 500 cell lines1,2 spanning 21 types of solid tumour. We created a first-generation metastasis map (MetMap) that reveals organ-specific patterns of metastasis, enabling these patterns to be associated with clinical and genomic features. We demonstrate the utility of MetMap by investigating the molecular basis of breast cancers capable of metastasizing to the brain-a principal cause of death in patients with this type of cancer. Breast cancers capable of metastasizing to the brain showed evidence of altered lipid metabolism. Perturbation of lipid metabolism in these cells curbed brain metastasis development, suggesting a therapeutic strategy to combat the disease and demonstrating the utility of MetMap as a resource to support metastasis research.

Abstract Metabolism is highly interconnected and also has profound effects on other cellular processes. However, the interactions between metabolites and proteins that mediate this connectivity are frequently low affinity and difficult to discover, hampering our understanding of this important area of cellular biochemistry. Therefore, we developed the MIDAS platform, which can identify protein-metabolite interactions with great sensitivity. We analyzed 33 enzymes from central carbon metabolism and identified 830 protein-metabolite interactions that were mostly novel, but also included known regulators, substrates, products and their analogs. We validated previously unknown interactions, including two atomic-resolution structures of novel protein-metabolite complexes. We also found that both ATP and long-chain fatty acyl-CoAs inhibit lactate dehydrogenase A (LDHA), but not LDHB, at physiological concentrations in vitro . Treating cells with long-chain fatty acids caused a loss of pyruvate/lactate interconversion, but only in cells reliant on LDHA. We propose that these regulatory mechanisms are part of the metabolic connectivity that enables survival in an ever-changing nutrient environment, and that MIDAS enables a broader and deeper understanding of that network.

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.

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.

Summary The use of isotopic tracers and metabolic flux analysis (MFA) has unveiled a number of metabolic pathways differentially activated in cancer cells. To support efforts to design effective metabolic therapies for cancer, we sought to distinguish metabolic behavior in cancer versus normal cells growing at the same rate. To this end, we performed 13 C-isotope tracing and MFA in human mammary epithelial cells (HMECs) harboring different combinations of oncogenes. By introducing a new quantity termed metabolic flux intensity, defined as pathway flux divided by specific growth rate, we showed that metabolism is dually controlled by proliferation and oncogenotypes. 13 C-MFA further revealed that oxidative pentose phosphate pathway (oxPPP), malate dehydrogenase (MDH) and isocitrate dehydrogenase (IDH) were most enhanced in cancerous HMECs. Drug targeting of these pathways selectively reduced growth in the tumorigenic HMEC line. Our study provides direct evidence that metabolism of cancer cells is different than that of normal proliferating cells.

Abstract Nucleotide metabolism supports RNA synthesis and DNA replication to enable cell growth and division. Nucleotide depletion can accordingly inhibit cell growth and proliferation, but how cells sense and respond to changes in the relative levels of individual nucleotides is unclear. Moreover, the nucleotide requirement for biomass production changes over the course of the cell cycle, and how cells coordinate differential nucleotide demands with cell cycle progression is also not well understood. Here we find that excess levels of individual nucleotides can inhibit proliferation by disrupting the relative levels of nucleotide bases needed for DNA replication. The resulting purine and pyrimidine imbalances are not sensed by canonical growth regulatory pathways, causing aberrant biomass production and excessive cell growth despite inhibited proliferation. Instead, cells rely on replication stress signaling to survive during, and recover from, nucleotide imbalance during S phase. In fact, replication stress signaling is activated during unperturbed S phases and promotes nucleotide availability to support DNA replication. Together, these data reveal that imbalanced nucleotide levels are not detected until S phase, rendering cells reliant on replication stress signaling to cope with this metabolic problem, and disrupting the coordination of cell growth and division.

ABSTRACT Most cancers, including prostate cancers, express the M2 splice isoform of pyruvate kinase ( Pkm2 ). This isoform can promote anabolic metabolism to support cell proliferation; however, Pkm2 expression is dispensable for many cancers in vivo . Pyruvate kinase M1 ( Pkm1 ) isoform expression is restricted to relatively few tissues and has been reported to promote growth of select tumors, but the role of PKM1 in cancer has been less studied. Pkm1 is expressed in normal prostate tissue; thus, to test how differential pyruvate kinase isoform expression affects cancer initiation and progression we generated mice harboring a conditional allele of Pkm1 and crossed this allele, as well as a Pkm2 conditional allele, to a Pten loss-driven prostate cancer model. We found that Pkm1 loss leads to Pkm2 expression and accelerates prostate cancer, while deletion of Pkm2 leads to increased Pkm1 expression and suppresses cancer. Consistent with these data, a small molecule pyruvate kinase activator that mimics a PKM1-like state suppresses progression of established prostate tumors. PKM2 expression is retained in most human prostate cancers, arguing that pharmacological PKM2 activation may be beneficial for some prostate cancer patients.

Abstract CAR-T therapy is a promising new treatment modality for B-cell malignancies. However, the majority of patients inevitably go on to experience disease relapse through largely unknown means. To investigate leukemia-intrinsic CAR-T resistance mechanisms, we performed genome-wide CRISPR-Cas9 loss-of-function screens in an immunocompetent murine model of B-cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) utilizing a novel, modular guide RNA library. We identified IFNγ/JAK/STAT signaling and components of antigen processing and presentation pathway as key mediators of resistance to CAR-T therapy in vivo , but not in vitro . Transcriptional characterization of this model demonstrated an upregulation of these pathways in CAR-T treated relapsed tumors, and examination of data from CAR-T treated patients with B-ALL revealed an association between poor outcomes and increased expression of JAK/STAT/MHC-I in leukemia cells. Overall, our data identify an unexpected mechanism of resistance to CAR-T therapy in which tumor cell interaction with CAR-T cells in vivo induces expression of an adaptive T-cell resistance program in tumor cells.

Abstract Access to electron acceptors supports oxidized biomass synthesis and can be limiting for cancer cell proliferation, but how cancer cells overcome this limitation in tumors is incompletely understood. Non-transformed cells in tumors can help cancer cells overcome metabolic limitations, particularly in pancreatic cancer, where pancreatic stellate cells (PSCs) promote cancer cell proliferation and tumor growth. However, whether PSCs affect the redox state of cancer cells is not known. By taking advantage of the endogenous fluorescence properties of reduced nicotinamide adenine dinucleotide cofactors and oxidized flavin adenine dinucleotide, we use optical imaging to assess the redox state of pancreatic cancer cells and PSCs and find that the redox state of cancer cells is more reduced while the redox state of PSCs is more oxidized. Direct interactions between PSCs and cancer cells promote a more oxidized state in cancer cells, suggesting that metabolic interactions between cancer cells and PSCs is a mechanism to overcome the redox limitations of cell proliferation in pancreatic cancer.