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.

TDP-43 forms inclusions in several neurodegenerative diseases, and both its N- and C-terminal domains are implicated in this process. We show that the folded TDP-43 N-terminal domain oligomerizes under physiological conditions and propose that, in full-length TDP-43, association between folded N-terminal domains enhances the propensity of the intrinsically unfolded C-terminal domains to drive pathological aggregation.

Inhibiting glycolysis remains an aspirational approach for the treatment of cancer. We recently demonstrated that SF2312, a natural product phosphonate antibiotic, is a potent inhibitor of the glycolytic enzyme Enolase with potential utility for the collateral lethality-based treatment of Enolase-deficient glioblastoma (GBM). However, phosphonates are anionic at physiological pH, limiting cell and tissue permeability. Here, we show that addition of pivaloyloxymethyl (POM) groups to SF2312 (POMSF) dramatically increases potency, leading to inhibition of glycolysis and killing of ENO1-deleted glioma cells in the low nM range. But the utility of POMSF in vivo is dose-limited by severe hemolytic anemia. A derivative, POMHEX, shows equipotency to POMSF without inducing hemolytic anemia. POMHEX can eradicate intracranial orthotopic ENO1-deleted tumors, despite sub-optimal pharmacokinetic properties. Taken together, our data provide in vivo proof-of-principal for collateral lethality in precision oncology and showcase POMHEX as a useful molecule for the study of glycolysis in cancer metabolism.

Abstract Coenzyme A (CoA) is an essential co-factor at the intersection of diverse metabolic pathways. Cellular CoA biosynthesis is regulated at the first committed step— phosphorylation of pantothenic acid—catalyzed by pantothenate kinases (PANK1,2,3 in humans, PANK3 being the most highly expressed). Despite the critical importance of CoA in metabolism, the differential roles of PANK isoforms remain poorly understood. Our investigations of PANK proteins as precision oncology collateral lethality targets ( PANK1 is co-deleted as part of the PTEN locus in some highly aggressive cancers) were severely hindered by a dearth of commercial antibodies that can reliably detect endogenous PANK3. While we successfully validated commercial antibodies for PANK1 and PANK2 using CRISPR knockout cell lines, we found no commercial antibody that could detect endogenous PANK3. We therefore set out to generate a mouse monoclonal antibody against human PANK3 protein. We demonstrate that clone (Clone MDA-299-62A) can reliably detect endogenous PANK3 protein in cancer cell lines, with band-specificity confirmed by CRISPR PANK3 knockout cell lines. Sub-cellular fractionation indicates that PANK3 is overwhelmingly cytosolic and expressed broadly across cancer cell lines. PANK3 monoclonal antibody MDA-299-62A should prove a valuable tool for researchers investigating this understudied family of metabolic enzymes in health and disease.