Rapamycin, an inhibitor of mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1), extends the life spans of yeast, flies, and mice. Calorie restriction, which increases life span and insulin sensitivity, is proposed to function by inhibition of mTORC1, yet paradoxically, chronic administration of rapamycin substantially impairs glucose tolerance and insulin action. We demonstrate that rapamycin disrupted a second mTOR complex, mTORC2, in vivo and that mTORC2 was required for the insulin-mediated suppression of hepatic gluconeogenesis. Further, decreased mTORC1 signaling was sufficient to extend life span independently from changes in glucose homeostasis, as female mice heterozygous for both mTOR and mLST8 exhibited decreased mTORC1 activity and extended life span but had normal glucose tolerance and insulin sensitivity. Thus, mTORC2 disruption is an important mediator of the effects of rapamycin in vivo.

Mutations in PIK3CA, which encodes the p110α subunit of the insulin-activated phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K), and loss of function mutations in PTEN, which encodes a phosphatase that degrades the phosphoinositide lipids generated by PI3K, are among the most frequent events in human cancers1,2. However, pharmacological inhibition of PI3K has resulted in variable clinical responses, raising the possibility of an inherent mechanism of resistance to treatment. As p110α mediates virtually all cellular responses to insulin, targeted inhibition of this enzyme disrupts glucose metabolism in multiple tissues. For example, blocking insulin signalling promotes glycogen breakdown in the liver and prevents glucose uptake in the skeletal muscle and adipose tissue, resulting in transient hyperglycaemia within a few hours of PI3K inhibition. The effect is usually transient because compensatory insulin release from the pancreas (insulin feedback) restores normal glucose homeostasis3. However, the hyperglycaemia may be exacerbated or prolonged in patients with any degree of insulin resistance and, in these cases, necessitates discontinuation of therapy3–6. We hypothesized that insulin feedback induced by PI3K inhibitors may reactivate the PI3K–mTOR signalling axis in tumours, thereby compromising treatment effectiveness7,8. Here we show, in several model tumours in mice, that systemic glucose–insulin feedback caused by targeted inhibition of this pathway is sufficient to activate PI3K signalling, even in the presence of PI3K inhibitors. This insulin feedback can be prevented using dietary or pharmaceutical approaches, which greatly enhance the efficacy/toxicity ratios of PI3K inhibitors. These findings have direct clinical implications for the multiple p110α inhibitors that are in clinical trials and provide a way to increase treatment efficacy for patients with many types of tumour. Glucose–insulin feedback can reactivate PI3K in tumours treated with PI3K inhibitors, reducing therapeutic efficacy, but this effect can be reduced by using drugs or diet to suppress the insulin response.

Abstract Protein phosphorylation is one of the most widespread post-translational modifications in biology 1,2 . With advances in mass-spectrometry-based phosphoproteomics, 90,000 sites of serine and threonine phosphorylation have so far been identified, and several thousand have been associated with human diseases and biological processes 3,4 . For the vast majority of phosphorylation events, it is not yet known which of the more than 300 protein serine/threonine (Ser/Thr) kinases encoded in the human genome are responsible 3 . Here we used synthetic peptide libraries to profile the substrate sequence specificity of 303 Ser/Thr kinases, comprising more than 84% of those predicted to be active in humans. Viewed in its entirety, the substrate specificity of the kinome was substantially more diverse than expected and was driven extensively by negative selectivity. We used our kinome-wide dataset to computationally annotate and identify the kinases capable of phosphorylating every reported phosphorylation site in the human Ser/Thr phosphoproteome. For the small minority of phosphosites for which the putative protein kinases involved have been previously reported, our predictions were in excellent agreement. When this approach was applied to examine the signalling response of tissues and cell lines to hormones, growth factors, targeted inhibitors and environmental or genetic perturbations, it revealed unexpected insights into pathway complexity and compensation. Overall, these studies reveal the intrinsic substrate specificity of the human Ser/Thr kinome, illuminate cellular signalling responses and provide a resource to link phosphorylation events to biological pathways.

Excessive consumption of beverages sweetened with high-fructose corn syrup (HFCS) is associated with obesity and with an increased risk of colorectal cancer. Whether HFCS contributes directly to tumorigenesis is unclear. We investigated the effects of daily oral administration of HFCS in adenomatous polyposis coli (APC) mutant mice, which are predisposed to develop intestinal tumors. The HFCS-treated mice showed a substantial increase in tumor size and tumor grade in the absence of obesity and metabolic syndrome. HFCS increased the concentrations of fructose and glucose in the intestinal lumen and serum, respectively, and the tumors transported both sugars. Within the tumors, fructose was converted to fructose-1-phosphate, leading to activation of glycolysis and increased synthesis of fatty acids that support tumor growth. These mouse studies support the hypothesis that the combination of dietary glucose and fructose, even at a moderate dose, can enhance tumorigenesis.

ABSTRACT Protein phosphorylation is one of the most widespread post-translational modifications in biology. With the advent of mass spectrometry-based phosphoproteomics, more than 200,000 sites of serine and threonine phosphorylation have been reported, of which several thousand have been associated with human diseases and biological processes. For the vast majority of phosphorylation events, it is not yet known which of the more than 300 protein Ser/Thr kinases encoded in the human genome is responsible. Here, we utilize synthetic peptide libraries to profile the substrate sequence specificity of nearly every functional human Ser/Thr kinase. Viewed in its entirety, the substrate specificity of the kinome was substantially more diverse than expected and was driven extensively by negative selectivity. Our kinome-wide dataset was used to computationally annotate and identify the most likely protein kinases for every reported phosphorylation site in the human Ser/Thr phosphoproteome. For the small minority of phosphosites where the protein kinases involved have been previously identified, our predictions were in excellent agreement. When this approach was applied to examine the signaling response of tissues and cell lines to hormones, growth factors, targeted inhibitors, and environmental or genetic perturbations, it revealed unexpected insights into pathway complexity and compensation. Overall, these studies reveal the full extent of substrate specificity of the human Ser/Thr kinome, illuminate cellular signaling responses, and provide a rich resource to link unannotated phosphorylation events to biological pathways.

Abstract The cancer associated cachexia syndrome (CACS) is a systemic metabolic disorder resulting in loss of body weight due to skeletal muscle and adipose tissues atrophy. CACS is particularly prominent in lung cancer patients, where it contributes to poor quality of life and excess mortality. Using the Kras/Lkb1 (KL) mouse model, we found that CACS is associated with white adipose tissue (WAT) dysfunction that directly affects skeletal muscle homeostasis. WAT transcriptomes showed evidence of reduced adipogenesis, and, in agreement, we found low levels of circulating adiponectin. To preserve adipogenesis and restore adiponectin levels, we treated mice with the PPAR-γ agonist, rosiglitazone. Rosiglitazone treatment increased serum adiponectin levels, delayed weight loss, and preserved skeletal muscle and adipose tissue mass, as compared to vehicle-treated mice. The preservation of muscle mass with rosiglitazone was associated with increases in AMPK and AKT activity. Similarly, activation of the adiponectin receptors in muscle cells increased AMPK activity, anabolic signaling, and protein synthesis. Our data suggest that PPAR-γ agonists may be a useful adjuvant therapy to preserve tissue mass in lung cancer. Key points - The PPAR-γ agonist, rosiglitazone, restores circulating adiponectin levels in mice with lung cancer. - Rosiglitazone preserves skeletal muscle and adipose tissue mass in mice with lung cancer. - The preservation of muscle mass with rosiglitazone is associated with increases in AMPK and AKT activity. - Stimulation of adiponectin signaling increases AMPK activity, anabolic signaling, and protein synthesis in muscle cell culture.

SUMMARY The phosphoinositide 3-kinase, p110α, is an essential mediator of insulin signaling and glucose homeostasis. We systematically interrogated the human serine, threonine, and tyrosine kinome to search for novel regulators of p110α and found that the Hippo kinases phosphorylate and completely inhibit its activity. This inhibitory state corresponds to a conformational change of a membrane binding domain on p110α, which impairs its ability to engage membranes. In human primary hepatocytes, cancer cell lines, and rodent tissues, activation of the Hippo kinases, MST1/2, using forskolin or epinephrine is associated with phosphorylation and inhibition of p110α, impairment of downstream insulin signaling, and suppression of glycolysis and glycogen synthesis. These changes are abrogated when MST1/2 are genetically deleted or inhibited with small molecules. Our study reveals a novel inhibitory pathway of PI3K signaling and a previously unappreciated link between epinephrine and insulin signaling.

Drug repurposing, identifying novel indications for drugs, bypasses common drug development pitfalls to ultimately deliver therapies to patients faster. However, most repurposing discoveries have been led by anecdotal observations (e.g. Viagra) or experimental-based repurposing screens, which are costly, time-consuming, and imprecise. Recently, more systematic computational approaches have been proposed, however these rely on utilizing the information from the diseases a drug is already approved to treat. This inherently limits the algorithms, making them unusable for investigational molecules. Here, we present a computational approach to drug repurposing, CATNIP, that requires only biological and chemical information of a molecule. CATNIP is trained with 2,576 diverse small molecules and uses 16 different drug similarity features, such as structural, target, or pathway based similarity. This model obtains significant predictive power (AUC = 0.841). Using our model, we created a repurposing network to identify broad scale repurposing opportunities between drug types. By exploiting this network, we identified literature-supported repurposing candidates, such as the use of systemic hormonal preparations for the treatment of respiratory illnesses. Furthermore, we demonstrated that we can use our approach to identify novel uses for defined drug classes. We found that adrenergic uptake inhibitors, specifically amitriptyline and trimipramine, could be potential therapies for Parkinson's disease. Additionally, using CATNIP, we predicted the kinase inhibitor, vandetanib, as a possible treatment for Type 2 Diabetes. Overall, this systematic approach to drug repurposing lays the groundwork to streamline future drug development efforts.

Summary A primary cause of death in cancer patients is cachexia, a wasting syndrome attributed to tumor-induced metabolic dysregulation. Despite the major impact of cachexia on the treatment, quality of life, and survival of cancer patients, relatively little is known about the underlying pathogenic mechanisms. Hyperglycemia detected in glucose tolerance test is one of the earliest metabolic abnormalities observed in cancer patients; however, the pathogenesis by which tumors influence blood sugar levels remains poorly understood. Here, utilizing a Drosophila model, we demonstrate that the tumor secreted interleukin-like cytokine Upd3 induces fat body expression of Pepck1 and Pdk , two key regulatory enzymes of gluconeogenesis, contributing to hyperglycemia. Our data further indicate a conserved regulation of these genes by IL-6/JAK STAT signaling in mouse models. Importantly, in both fly and mouse cancer cachexia models, elevated gluconeogenesis gene levels are associated with poor prognosis. Altogether, our study uncovers a conserved role of Upd3/IL-6/JAK-STAT signaling in inducing tumor-associated hyperglycemia, which provides insights into the pathogenesis of IL-6 signaling in cancer cachexia. Graphical Abstract

Abstract Glucose-dependent insulinotropic polypeptide ( GIP ) has a role in controlling postprandial metabolic tone. In humans, a GIP receptor ( GIPR ) variant (Q354, rs1800437) is associated with a lower body mass index ( BMI ) and increased risk for Type 2 Diabetes. To isolate the contribution of GIPR in metabolic control, we generated a mouse model of the GIPR-Q354 variant (GIPR-Q350 mice). Female GIPR-Q350 mice are leaner than littermate controls, and male GIPR-Q350 mice are resistant to diet-induced obesity, in line with the association of the variant with reduced BMI in humans. GIPR-Q350 mice of both sexes are more glucose tolerant and exhibit an increased sensitivity to GIP. Postprandial GIP levels are reduced in GIPR-Q350 mice, revealing feedback regulation that balances the increased sensitivity of GIP target tissues to secretion of GIP from intestinal endocrine cells. The increased GIP sensitivity is recapitulated ex vivo during glucose stimulated insulin secretion assays in islets. Generation of cAMP in islets downstream of GIPR activation is not affected by the Q354 substitution. However, post-activation traffic of GIPR-Q354 variant in β-cells is altered, characterized by enhanced intracellular dwell time and increased localization to the Trans-Golgi Network ( TGN ). Consequently, our data link altered intracellular traffic of the GIPR-Q354 variant with GIP control of metabolism. We propose that this change in spatiotemporal signaling underlies the physiologic effects of GIPR-Q350/4 and GIPR-E350/4 in mice and humans. These findings contribute to a more complete understanding of the impact of GIPR-Q354 variant on glucose homeostasis that could perhaps be leveraged to enhance pharmacologic targeting of GIPR for the treatment of metabolic disease.