Tumor cell proliferation requires rapid synthesis of macromolecules including lipids, proteins, and nucleotides. Many tumor cells exhibit rapid glucose consumption, with most of the glucose-derived carbon being secreted as lactate despite abundant oxygen availability (the Warburg effect). Here, we used 13C NMR spectroscopy to examine the metabolism of glioblastoma cells exhibiting aerobic glycolysis. In these cells, the tricarboxylic acid (TCA) cycle was active but was characterized by an efflux of substrates for use in biosynthetic pathways, particularly fatty acid synthesis. The success of this synthetic activity depends on activation of pathways to generate reductive power (NADPH) and to restore oxaloacetate for continued TCA cycle function (anaplerosis). Surprisingly, both these needs were met by a high rate of glutamine metabolism. First, conversion of glutamine to lactate (glutaminolysis) was rapid enough to produce sufficient NADPH to support fatty acid synthesis. Second, despite substantial mitochondrial pyruvate metabolism, pyruvate carboxylation was suppressed, and anaplerotic oxaloacetate was derived from glutamine. Glutamine catabolism was accompanied by secretion of alanine and ammonia, such that most of the amino groups from glutamine were lost from the cell rather than incorporated into other molecules. These data demonstrate that transformed cells exhibit a high rate of glutamine consumption that cannot be explained by the nitrogen demand imposed by nucleotide synthesis or maintenance of nonessential amino acid pools. Rather, glutamine metabolism provides a carbon source that facilitates the cell's ability to use glucose-derived carbon and TCA cycle intermediates as biosynthetic precursors.

Mammalian cells fuel their growth and proliferation through the catabolism of two main substrates: glucose and glutamine. Most of the remaining metabolites taken up by proliferating cells are not catabolized, but instead are used as building blocks during anabolic macromolecular synthesis. Investigations of phosphoinositol 3-kinase (PI3K) and its downstream effector AKT have confirmed that these oncogenes play a direct role in stimulating glucose uptake and metabolism, rendering the transformed cell addicted to glucose for the maintenance of survival. In contrast, less is known about the regulation of glutamine uptake and metabolism. Here, we report that the transcriptional regulatory properties of the oncogene Myc coordinate the expression of genes necessary for cells to engage in glutamine catabolism that exceeds the cellular requirement for protein and nucleotide biosynthesis. A consequence of this Myc-dependent glutaminolysis is the reprogramming of mitochondrial metabolism to depend on glutamine catabolism to sustain cellular viability and TCA cycle anapleurosis. The ability of Myc-expressing cells to engage in glutaminolysis does not depend on concomitant activation of PI3K or AKT. The stimulation of mitochondrial glutamine metabolism resulted in reduced glucose carbon entering the TCA cycle and a decreased contribution of glucose to the mitochondrial-dependent synthesis of phospholipids. These data suggest that oncogenic levels of Myc induce a transcriptional program that promotes glutaminolysis and triggers cellular addiction to glutamine as a bioenergetic substrate.

Summary

 Vessel sprouting by migrating tip and proliferating stalk endothelial cells (ECs) is controlled by genetic signals (such as Notch), but it is unknown whether metabolism also regulates this process. Here, we show that ECs relied on glycolysis rather than on oxidative phosphorylation for ATP production and that loss of the glycolytic activator PFKFB3 in ECs impaired vessel formation. Mechanistically, PFKFB3 not only regulated EC proliferation but also controlled the formation of filopodia/lamellipodia and directional migration, in part by compartmentalizing with F-actin in motile protrusions. Mosaic in vitro and in vivo sprouting assays further revealed that PFKFB3 overexpression overruled the pro-stalk activity of Notch, whereas PFKFB3 deficiency impaired tip cell formation upon Notch blockade, implying that glycolysis regulates vessel branching.

Tumour cells with defective mitochondria are found to use glutamine-dependent reductive carboxylation, rather than oxidative metabolism, as the major pathway of citrate and lipid formation. Oxidative metabolism of glucose has long been considered to be the major provider of carbon for lipid synthesis in animal cells. Two papers in this issue of Nature demonstrate that reductive carboxylation of glutamine is an alternative. Metallo et al. show that various normal and cancerous human cell lines proliferating in hypoxic conditions produce the acetyl-coenzyme A required as a precursor for fatty acid synthesis by the reductive metabolism of glutamine-derived α-ketoglutarate through a pathway requiring isocitrate dehydrogenase 1. Mullen et al. show that tumour cells with defective mitochondria use glutamine-dependent reductive carboxylation as the major pathway of citrate formation. As well as adding a new dimension to our understanding of cell carbohydrate metabolism, this work suggests that there may be potential therapeutic targets along the reductive carboxylation and glutamine catabolic pathways that could prevent hypoxic tumour growth. Mitochondrial metabolism provides precursors to build macromolecules in growing cancer cells1,2. In normally functioning tumour cell mitochondria, oxidative metabolism of glucose- and glutamine-derived carbon produces citrate and acetyl-coenzyme A for lipid synthesis, which is required for tumorigenesis3. Yet some tumours harbour mutations in the citric acid cycle (CAC) or electron transport chain (ETC) that disable normal oxidative mitochondrial function4,5,6,7, and it is unknown how cells from such tumours generate precursors for macromolecular synthesis. Here we show that tumour cells with defective mitochondria use glutamine-dependent reductive carboxylation rather than oxidative metabolism as the major pathway of citrate formation. This pathway uses mitochondrial and cytosolic isoforms of NADP+/NADPH-dependent isocitrate dehydrogenase, and subsequent metabolism of glutamine-derived citrate provides both the acetyl-coenzyme A for lipid synthesis and the four-carbon intermediates needed to produce the remaining CAC metabolites and related macromolecular precursors. This reductive, glutamine-dependent pathway is the dominant mode of metabolism in rapidly growing malignant cells containing mutations in complex I or complex III of the ETC, in patient-derived renal carcinoma cells with mutations in fumarate hydratase, and in cells with normal mitochondria subjected to acute pharmacological ETC inhibition. Our findings reveal the novel induction of a versatile glutamine-dependent pathway that reverses many of the reactions of the canonical CAC, supports tumour cell growth, and explains how cells generate pools of CAC intermediates in the face of impaired mitochondrial metabolism.

Abstract Dendritic cells (DCs) are key regulators of innate and acquired immunity. The maturation of DCs is directed by signal transduction events downstream of toll-like receptors (TLRs) and other pattern recognition receptors. Here, we demonstrate that, in mouse DCs, TLR agonists stimulate a profound metabolic transition to aerobic glycolysis, similar to the Warburg metabolism displayed by cancer cells. This metabolic switch depends on the phosphatidyl inositol 3′-kinase/Akt pathway, is antagonized by the adenosine monophosphate (AMP)–activated protein kinase (AMPK), and is required for DC maturation. The metabolic switch induced by DC activation is antagonized by the antiinflammatory cytokine interleukin-10. Our data pinpoint TLR-mediated metabolic conversion as essential for DC maturation and function and reveal it as a potential target for intervention in the control of excessive inflammation and inappropriately regulated immune responses.

Solid cancer cells commonly enter the blood and disseminate systemically, but are highly inefficient at forming distant metastases for poorly understood reasons. Here we studied human melanomas that differed in their metastasis histories in patients and in their capacity to metastasize in NOD-SCID-Il2rg−/− (NSG) mice. We show that melanomas had high frequencies of cells that formed subcutaneous tumours, but much lower percentages of cells that formed tumours after intravenous or intrasplenic transplantation, particularly among inefficiently metastasizing melanomas. Melanoma cells in the blood and visceral organs experienced oxidative stress not observed in established subcutaneous tumours. Successfully metastasizing melanomas underwent reversible metabolic changes during metastasis that increased their capacity to withstand oxidative stress, including increased dependence on NADPH-generating enzymes in the folate pathway. Antioxidants promoted distant metastasis in NSG mice. Folate pathway inhibition using low-dose methotrexate, ALDH1L2 knockdown, or MTHFD1 knockdown inhibited distant metastasis without significantly affecting the growth of subcutaneous tumours in the same mice. Oxidative stress thus limits distant metastasis by melanoma cells in vivo. Human melanoma cells grown in mice experience high levels of oxidative stress in the bloodstream such that few metastasizing cells survive to form tumours; the rare melanoma cells that successfully metastasize undergo metabolic changes that increase their capacity to withstand this stress, and antioxidant treatments increase metastasis formation by human melanoma cells, while inhibiting antioxidant pathways had the reverse effect. Although solid cancer cells such as melanoma cells readily enter the circulation system, they are not very efficient at forming metastases at sites away from the original tumour. Sean Morrison and colleagues show that human melanoma cells grown in mice experience high levels of oxidative stress in the bloodstream, such that few metastasizing cells survive to form tumours. The rare melanoma cells that do successfully metastasize undergo metabolic changes that increase their capacity to withstand this stress. Antioxidant treatments increase metastasis by human melanoma cells, while inhibiting antioxidant pathways has the opposite effect.

Cancer cells consume glucose and secrete lactate in culture. It is unknown whether lactate contributes to energy metabolism in living tumors. We previously reported that human non-small-cell lung cancers (NSCLCs) oxidize glucose in the tricarboxylic acid (TCA) cycle. Here, we show that lactate is also a TCA cycle carbon source for NSCLC. In human NSCLC, evidence of lactate utilization was most apparent in tumors with high 18fluorodeoxyglucose uptake and aggressive oncological behavior. Infusing human NSCLC patients with 13C-lactate revealed extensive labeling of TCA cycle metabolites. In mice, deleting monocarboxylate transporter-1 (MCT1) from tumor cells eliminated lactate-dependent metabolite labeling, confirming tumor-cell-autonomous lactate uptake. Strikingly, directly comparing lactate and glucose metabolism in vivo indicated that lactate’s contribution to the TCA cycle predominates. The data indicate that tumors, including bona fide human NSCLC, can use lactate as a fuel in vivo.

We previously isolated two human L1 elements (L1.2 and LRE2) as the progenitors of disease-producing insertions. Here, we show these elements can actively retrotranspose in cultured mammalian cells. When stably expressed from an episome in HeLa cells, both elements retrotransposed into a variety of chromosomal locations at a high frequency. The retrotransposed products resembled endogenous L1 insertions, since they were variably 5′ truncated, ended in poly(A) tracts, and were flanked by target-site duplications or short deletions. Point mutations in conserved domains of the L1.2-encoded proteins reduced retrotransposition by 100- to 1000-fold. Remarkably, L1.2 also retrotransposed in a mouse cell line, suggesting a potential role for L1-based vectors in random insertional mutagenesis.

Bone marrow transplantation is the primary therapy for numerous hematopoietic disorders. The efficiency of bone marrow transplantation depends on the function of long-term hematopoietic stem cells (LT-HSCs), which is markedly influenced by their hypoxic niche. Survival in this low-oxygen microenvironment requires significant metabolic adaptation. Here, we show that LT-HSCs utilize glycolysis instead of mitochondrial oxidative phosphorylation to meet their energy demands. We used flow cytometry to identify a unique low mitochondrial activity/glycolysis-dependent subpopulation that houses the majority of hematopoietic progenitors and LT-HSCs. Finally, we demonstrate that Meis1 and Hif-1α are markedly enriched in LT-HSCs and that Meis1 regulates HSC metabolism through transcriptional activation of Hif-1α. These findings reveal an important transcriptional network that regulates HSC metabolism.

Non-small cell lung cancer (NSCLC) is heterogeneous in the genetic and environmental parameters that influence cell metabolism in culture. Here, we assessed the impact of these factors on human NSCLC metabolism in vivo using intraoperative 13C-glucose infusions in nine NSCLC patients to compare metabolism between tumors and benign lung. While enhanced glycolysis and glucose oxidation were common among these tumors, we observed evidence for oxidation of multiple nutrients in each of them, including lactate as a potential carbon source. Moreover, metabolically heterogeneous regions were identified within and between tumors, and surprisingly, our data suggested potential contributions of non-glucose nutrients in well-perfused tumor areas. Our findings not only demonstrate the heterogeneity in tumor metabolism in vivo but also highlight the strong influence of the microenvironment on this feature.