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.

Diffuse systemic sclerosis is associated with high mortality; however, the pathogenesis of cardiac death in these patients is not clear.A 56-year-old Caucasian female patient presented with dyspnea and requested to donate her body to science in order to improve understanding of diffuse systemic sclerosis pathogenesis. She had extensive testing for dyspnea including pulmonary function tests, an echocardiogram, cardiac magnetic resonance imaging, and right heart catheterization to characterize her condition. Her case highlights the morbidity seen in this disease, including the presence of extensive skin thickening, digital ulcerations, and scleroderma renal crisis.In this case report, we present the finding of cardiac tissue metabolomics, which may indicate a problem with vasodilation as a contributor to cardiac death in diffuse systemic sclerosis. The use of autopsy and tissue metabolomics in rare disease may help clarify disease pathogenesis.

Metabolism forms a complex, interdependent network, and perturbations can have indirect effects that are pervasive. Identifying these patterns and their consequences is difficult, particularly when the effects occur across canonical pathways, and these difficulties have long acted as a bottleneck in metabolic data analysis. This challenge is compounded by technical limitations in metabolomics approaches that garner incomplete datasets. Current network-based tools generally utilize pathway-level analysis lacking the granular resolution required to provide context into the effects of all perturbations, regardless of magnitude, across the metabolic network. To address these shortcomings, we introduce algorithms that allow for the real-time extraction of regulatory patterns and trends from user data. To minimize the impact of missing measurements within the metabolic network, we introduce methods that enable complex pattern recognition across multiple reactions. These tools are available interactively within the user-friendly Metaboverse app ( https://github.com/Metaboverse ) to facilitate exploration and hypothesis generation. We demonstrate that expected signatures are accurately captured by Metaboverse. Using public lung adenocarcinoma data, we identify a previously undescribed multi-dimensional signature that correlated with survival outcomes in lung adenocarcinoma patients. Using a model of respiratory deficiency, we identify relevant and previously unreported regulatory patterns that suggest an important compensatory role for citrate during mitochondrial dysfunction. This body of work thus demonstrates that Metaboverse can identify and decipher complex signals from data that have been otherwise difficult to identify with previous approaches.

Abstract Peroxisomal Biogenesis Disorders (PBDs) are a class of inherited metabolic disorders with profound neurological and other phenotypes. The most severe PBDs are caused by mutations in peroxin genes, which result in nonfunctional peroxisomes typically through impaired protein import. In order to better understand the molecular causes of Zellweger Spectrum Disease (ZSD) -the most severe PBDs -, we investigated the fate of peroxisomal mRNAs and proteins in ZSD model systems. We found that loss of peroxisomal import has no effect on peroxin mRNA expression or translational efficiency. Instead, peroxin proteins—still produced at high levels— aberrantly accumulate on the mitochondrial membrane, impairing respiration and ATP generation. Finally, we rescued mitochondrial function in fibroblasts derived from human patients with ZSD by overexpressing ATAD1, an AAA-ATPase that functions in mitochondrial quality control. These findings might provide a new focus of PBD therapies in supporting quality control pathways that protect mitochondrial function.

Summary Cancers of the gastrointestinal tract including esophageal adenocarcinomas, colorectal cancers, and cancers of the gastric cardia are common comorbidities of obesity. Excessive delivery of macronutrients to the cells lining the gut can increase one’s risk for these cancer by inducing imbalances in the rate of intestinal stem cell proliferation vs. differentiation, which can produce polyps and other aberrant growths. We demonstrate that serine palmitoyltransferase (SPT), which diverts dietary fatty and amino acids into the sphingolipid biosynthesis pathway, is a critical modulator of intestinal stem cell homeostasis. SPT and other enzymes in the biosynthetic pathway are upregulated in human colon tumors. These enzymes produce sphingolipids that serve as pro-stemness signals that stimulate peroxisome-proliferator activated receptor alpha (PPARα)-mediated induction of fatty acid binding protein-1. This increases fatty acid uptake and oxidation and enhances the stemness program. Serine palmitoyltransferase thus serves as a critical link between dietary macronutrients, epithelial regeneration, and cancer risk.

ABSTRACT Background Lipid hydroperoxides (LOOH) have been implicated in skeletal muscle atrophy with age and disuse. Lysophosphatidylcholine acyltransferase 3 (LPCAT3), an enzyme of Lands cycle, conjugates a polyunsaturated fatty acyl chain to a lysophospholipid (PUFA-PL) molecule, providing substrates for LOOH propagation. Previous studies suggest that inhibition of Lands cycle is an effective strategy to suppress LOOH. Mice with skeletal muscle-specific tamoxifen-inducible knockout of LPCAT3 (LPCAT3-MKO) were utilized to determine if muscle-specific attenuation of LOOH may alleviate muscle atrophy and weakness with disuse. Methods LPCAT3-MKO and control mice underwent 7 days of sham or hindlimb unloading (HU model) to study muscle mass and force-generating capacity. LOOH was assessed by quantifying 4-hydroxynonenal (4-HNE)-conjugated peptides. Quantitative PCR and lipid mass spectrometry were used to validate LPCAT3 deletion. Results 7 days of HU was sufficient to induce muscle atrophy and weakness concomitant to an increase in 4-HNE. Deletion of LPCAT3 reversed HU-induced increase in muscle 4HNE. No difference was found in body mass, body composition, or caloric intake between genotypes. The soleus (SOL) and plantaris (PLANT) muscles of the LPCAT3-MKO mice were partially protected from atrophy compared to controls, concomitant to attenuated decrease in cross-sectional areas in type I and IIa fibers. Strikingly, SOL and extensor digitorum longus (EDL) were robustly protected from HU-induced reduction in force-generating capacity in the LPCAT3-MKO mice compared to controls. Conclusion Our findings demonstrate that attenuation of muscle LOOH is sufficient to restore skeletal muscle function, in particular a protection from reduction in muscle specific force. Thus, muscle LOOH contributes to atrophy and weakness induced by HU in mice.

Activating mutations in the CTNNB1 gene encoding β-catenin are among the most frequently observed oncogenic alterations in hepatocellular carcinoma (HCC). HCC with CTNNB1 mutations show profound alterations in lipid metabolism including increases in fatty acid oxidation and transformation of the phospholipidome, but it is unclear how these changes arise and whether they contribute to the oncogenic program in HCC. We employed untargeted lipidomics and targeted isotope tracing to quantify phospholipid production fluxes in an inducible human liver cell line expressing mutant β-catenin, as well as in transgenic zebrafish with activated β-catenin-driven HCC. In both models, activated β-catenin expression was associated with large changes in the lipidome including conserved increases in acylcarnitines and ceramides and decreases in triglycerides. Lipid flux analysis in human cells revealed a large reduction in phosphatidylcholine (PC) production rates as assayed by choline tracer incorporation. We developed isotope tracing lipid flux analysis for zebrafish and observed similar reductions in phosphatidylcholine synthesis flux accomplished by sex-specific mechanisms. The integration of isotope tracing with lipid abundances highlights specific lipid class transformations downstream of β-catenin signaling in HCC and suggests future HCC-specific lipid metabolic targets.

Brown adipose tissue (BAT) is composed of thermogenic cells that convert chemical energy into heat to help maintain a constant body temperature and counteract metabolic disease. Metabolite profiling of BAT showed increased pyruvate levels with cold exposure. Using U13C-glucose labeling experiments, we found that activated brown adipocytes increased labeling of pyruvate and TCA cycle intermediates. Although glucose oxidation has been implicated as being essential for thermogenesis, its requirement for efficient thermogenesis has not been directly tested. We report that mitochondrial pyruvate uptake is essential for optimal thermogenesis. Isotopic labeling experiments using U13C-glucose showed that loss of MPC1 led to impaired labeling of TCA cycle intermediates. Loss of MPC1 in BAT increased 3-hydroxybutyrate levels in blood and BAT in response to the cold, suggesting a compensatory mechanism for impaired mitochondrial oxidation of cytosolic pyruvate in BAT. Collectively, these studies highlight that complete glucose oxidation is essential for optimal brown fat thermogenesis.

Aberrant lipid metabolism promotes the development of skeletal muscle insulin resistance, but the exact identity of lipid-mediated mechanisms relevant to human obesity remains unclear. A comprehensive lipidomic analyses of primary myocytes from lean insulin-sensitive (LN) and obese insulin-resistant (OB) individuals revealed several species of lysophospholipids (lyso-PL) that were differentially-abundant. These changes coincided with greater expression of lysophosphatidylcholine acyltransferase 3 (LPCAT3), an enzyme involved in phospholipid transacylation (Lands cycle). Strikingly, mice with skeletal muscle-specific knockout of LPCAT3 (LPCAT3-MKO) exhibited greater muscle lyso-PC/PC, concomitant with greater insulin sensitivity in vivo and insulin-stimulated skeletal muscle glucose uptake ex vivo. Absence of LPCAT3 reduced phospholipid packing of the cellular membranes and increased plasma membrane lipid clustering, suggesting that LPCAT3 affects insulin receptor phosphorylation by modulating plasma membrane lipid organization. In conclusion, obesity accelerates the skeletal muscle Lands cycle, whose consequence might induce the disruption of plasma membrane organization that suppresses muscle insulin action.

Cold induced thermogenesis is an energy demanding process that protects endotherms against a reduction in ambient temperature. Using non-targeted LC-MS based lipidomics, we identified plasma acylcarnitines as the most significantly changed lipid class in response to the cold. Here we show that acylcarnitines provide fuel for brown fat thermogenesis. In response to the cold, FFAs released from adipocytes activate the nuclear receptor HNF4α to stimulate the expression of genes involved in acylcarnitine metabolism in the liver. Conditional deletion of HNF4α in hepatocytes blocks the cold-induced changes in hepatic gene expression, lowering circulating long chain acylcarnitine (LCAC) levels, and impairing their ability to adapt to the cold. Finally, a bolus of L-carnitine or palmitoylcarnitine rescues the cold sensitivity seen with aging. Our data highlights an elegant mechanism whereby white adipose tissue provides FFAs for hepatic carnitilation to generate plasma LCAC as a fuel source for BAT thermogenesis.