Abstract Oncogenic mutations in isocitrate dehydrogenase 1 and 2 (IDH1/2) occur in several types of cancer, but the metabolic consequences of these genetic changes are not fully understood. In this study, we performed 13C metabolic flux analysis on a panel of isogenic cell lines containing heterozygous IDH1/2 mutations. We observed that under hypoxic conditions, IDH1-mutant cells exhibited increased oxidative tricarboxylic acid metabolism along with decreased reductive glutamine metabolism, but not IDH2-mutant cells. However, selective inhibition of mutant IDH1 enzyme function could not reverse the defect in reductive carboxylation activity. Furthermore, this metabolic reprogramming increased the sensitivity of IDH1-mutant cells to hypoxia or electron transport chain inhibition in vitro. Lastly, IDH1-mutant cells also grew poorly as subcutaneous xenografts within a hypoxic in vivo microenvironment. Together, our results suggest therapeutic opportunities to exploit the metabolic vulnerabilities specific to IDH1 mutation. Cancer Res; 74(12); 3317–31. ©2014 AACR.

5-fluorouracil (5-FU) is a successful and broadly used anti-cancer therapeutic. A major mechanism of action of 5-FU is thought to be through thymidylate synthase (TYMS) inhibition resulting in dTTP depletion and activation of the DNA damage response. This suggests that 5-FU should synergize with other DNA damaging agents. However, we found that combinations of 5-FU and oxaliplatin or irinotecan failed to display any evidence of synergy in clinical trials, and resulted in sub-additive killing in a panel of colorectal cancer (CRC) cell lines. In seeking to understand this antagonism, we unexpectedly found that an RNA damage response during ribosome biogenesis dominates the drug's efficacy in tumor types for which 5-FU shows clinical benefit. 5-FU has an inherent bias for RNA incorporation, and blocking this greatly reduced drug-induced lethality, indicating that accumulation of damaged RNA is more deleterious than the lack of new RNA synthesis. Using 5-FU metabolites that specifically incorporate into either RNA or DNA revealed that CRC cell lines and patient-derived colorectal cancer organoids are inherently more sensitive to RNA damage. This difference held true in cell lines from other tissues in which 5-FU has shown clinical utility, whereas cell lines from tumor tissues that lack clinical 5-FU responsiveness typically showed greater sensitivity to the drug's DNA damage effects. Analysis of changes in the phosphoproteome and ubiquitinome shows RNA damage triggers the selective ubiquitination of multiple ribosomal proteins leading to autophagy-dependent rRNA catabolism and proteasome-dependent degradation of ubiquitinated ribosome proteins. Further, RNA damage response to 5-FU is selectively enhanced by compounds that promote ribosome biogenesis, such as KDM2A inhibitors. These results demonstrate the presence of a strong RNA damage response linked to apoptotic cell death, with clear utility of combinatorially targeting this response in cancer therapy.

ABSTRACT Inhibition of immune checkpoints has shown promising results in the treatment of certain tumor types. However, the majority of cancers do not respond to immune checkpoint inhibition (ICI) treatment, indicating the need to identify additional modalities that enhance the response to immune checkpoint blockade. In this study, we identified a tumor-tailored approach using ex-vivo DNA damaging chemotherapy-treated tumor cells as a live injured cell adjuvant. Using an optimized ex vivo system for dendritic cell-mediated T-cell IFN-γ induction in response to DNA-damaged tumor cells, we identified specific dose-dependent treatments with etoposide and mitoxantrone that markedly enhance IFN-γ production by T-cells. Unexpectedly, the immune-enhancing effects of DNA damage failed to correlate with known markers of immunogenic cell death or with the extent of apoptosis or necroptosis. Furthermore, dead tumor cells alone were not sufficient to promote DC cross-presentation and induce IFN-γ in T-cells. Instead, the enhanced immunogenicity resided in the fraction of injured cells that remained alive, and required signaling through the RIPK1, NF-kB and p38MAPK pathways. Direct in vivo translation of these findings was accomplished by intra-tumoral injection of ex vivo etoposide-treated tumor cells as an injured cell adjuvant, in combination with systemic anti-PD1/CTLA4 antibodies. This resulted in increased intra-tumoral CD103 + dendritic cells and circulating tumor antigen-specific CD8 + T-cells, leading to enhanced anti-tumor immune responses and improved survival. The effect was abrogated in BATF3-deficient mice indicating that BATF3 + DCs are required for appropriate T-cell stimulation by live but injured DNA-damaged tumor cells. Notably, injection of the free DNA-damaging drug directly into the tumor failed to elicit such an enhanced anti-tumor response as a consequence of simultaneous damage to dendritic cells and T-cells. Finally, the DNA damage induced injured cell adjuvant and systemic ICI combination, but not ICI alone, induced complete tumor regression in a subset of mice who were then able to reject tumor re-challenge, indicating induction of a long-lasting anti-tumor immunological memory by the injured cell adjuvant treatment in vivo .

RNA-binding proteins (RBPs) play critical roles in regulating gene expression by modulating splicing, RNA stability, and protein translation. In response to various stimuli, alterations in RBP function contribute to global changes in gene expression, but identifying which specific RBPs are responsible for the observed changes in gene expression patterns remains an unmet need. Here, we present Transite a multi-pronged computational approach that systematically infers RBPs influencing gene expression changes through alterations in RNA stability and degradation. As a proof of principle, we applied Transite to public RNA expression data from human patients with non-small cell lung cancer whose tumors were sampled at diagnosis, or after recurrence following treatment with platinum-based chemotherapy. Transite implicated known RBP regulators of the DNA damage response and identified hnRNPC as a new modulator of chemotherapeutic resistance, which we subsequently validated experimentally. Transite serves as a generalizable framework for the identification of RBPs responsible for gene expression changes that drive cell-state transitions and adds additional value to the vast wealth of publicly-available gene expression data.