Cancer cells rewire metabolism to favour the generation of specialized metabolites that support tumour growth and reshape the tumour microenvironment1,2. Lysine functions as a biosynthetic molecule, energy source and antioxidant3-5, but little is known about its pathological role in cancer. Here we show that glioblastoma stem cells (GSCs) reprogram lysine catabolism through the upregulation of lysine transporter SLC7A2 and crotonyl-coenzyme A (crotonyl-CoA)-producing enzyme glutaryl-CoA dehydrogenase (GCDH) with downregulation of the crotonyl-CoA hydratase enoyl-CoA hydratase short chain 1 (ECHS1), leading to accumulation of intracellular crotonyl-CoA and histone H4 lysine crotonylation. A reduction in histone lysine crotonylation by either genetic manipulation or lysine restriction impaired tumour growth. In the nucleus, GCDH interacts with the crotonyltransferase CBP to promote histone lysine crotonylation. Loss of histone lysine crotonylation promotes immunogenic cytosolic double-stranded RNA (dsRNA) and dsDNA generation through enhanced H3K27ac, which stimulates the RNA sensor MDA5 and DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) to boost type I interferon signalling, leading to compromised GSC tumorigenic potential and elevated CD8+ T cell infiltration. A lysine-restricted diet synergized with MYC inhibition or anti-PD-1 therapy to slow tumour growth. Collectively, GSCs co-opt lysine uptake and degradation to shunt the production of crotonyl-CoA, remodelling the chromatin landscape to evade interferon-induced intrinsic effects on GSC maintenance and extrinsic effects on immune response.

SUMMARY Mutations affecting isocitrate dehydrogenase (IDH) enzymes are prevalent in glioma, leukemia, and other cancers. Although mutant IDH inhibitors are effective against leukemia, they appear less active in aggressive glioma, underscoring the need for alternative treatment strategies. Through a chemical synthetic lethality screen, we discovered that IDH1 mutant glioma cells are hypersensitive to drugs targeting enzymes in the de novo pyrimidine nucleotide synthesis pathway, including dihydroorotate dehydrogenase (DHODH). We developed a genetically engineered mouse model of mutant IDH1-driven astrocytoma and used it and multiple patient-derived models to show that the brain-penetrant DHODH inhibitor BAY 2402234 displays monotherapy efficacy against IDH mutant gliomas. Mechanistically, this vulnerability selectively applies to de novo pyrimidine, but not purine, synthesis because glioma cells engage disparate programs to produce these nucleotide species and because IDH oncogenes increase DNA damage upon nucleotide pool imbalance. Our work outlines a tumor-selective, biomarker-guided therapeutic strategy that is poised for clinical translation.

Metabolism within the tumor microenvironment (TME) represents an increasing area of interest to understand glioma initiation and progression. Stable isotope tracing is a technique critical to the study of tumor metabolism. Cell culture models of this disease are not routinely cultured under physiologically relevant nutrient conditions and do not retain cellular heterogeneity present in the parental TME. Moreover, in vivo, stable isotope tracing in intracranial glioma xenografts, the gold standard for metabolic investigation, is time consuming and technically challenging. To provide insights into glioma metabolism in the presence of an intact TME, we performed stable isotope tracing analysis of patient-derived, heterocellular Surgically eXplanted Organoid (SXO) glioma models in human plasma-like medium (HPLM).Glioma SXOs were established and cultured in conventional media or transitioned to HPLM. We evaluated SXO cytoarchitecture and histology, then performed spatial transcriptomic profiling to identify cellular populations and differential gene expression patterns. We performed stable isotope tracing with 15N2-glutamine to evaluate intracellular metabolite labeling patterns.Glioma SXOs cultured in HPLM retain cytoarchitecture and cellular constituents. Immune cells in HPLM-cultured SXOs demonstrated increased transcription of immune-related signatures, including innate immune, adaptive immune, and cytokine signaling programs. 15N isotope enrichment from glutamine was observed in metabolites from diverse pathways, and labeling patterns were stable over time.To enable ex vivo, tractable investigations of whole tumor metabolism, we developed an approach to conduct stable isotope tracing in glioma SXOs cultured under physiologically relevant nutrient conditions. Under these conditions, SXOs maintained viability, composition, and metabolic activity while exhibiting increased immune-related transcriptional programs.

Abstract The creation of patient-derived cancer organoids represents a key advance in preclinical modeling and has recently been applied to a variety of human solid tumor types. However, conventional methods used to assess cellular viability in tissue specimens are poorly suited for the evaluation of cancer organoids because they are time-intensive and involve tissue destruction. To address this issue, we established a suite of 3-dimensional patient-derived glioma organoids, treated them with chemoradiotherapy, stained organoids with non-toxic cell dyes, and imaged them using a rapid laser scanning confocal microscopy method termed “Apex Imaging”. We then developed and tested a fragmentation algorithm to quantify heterogeneity in the topography of the organoids as a potential surrogate marker of viability. This algorithm, SSDquant, provides a 3-dimensional visual representation of the organoid surface and a numerical measurement of the sum-squared distance (SSD) from the derived mass center of the organoid. We tested whether SSD scores correlate with traditional immunohistochemistry-derived cell viability markers (cellularity and cleaved caspase 3 expression) and observed statistically significant associations between them using linear regression analysis. Our work describes a quantitative, non-invasive approach for the serial measurement of patient-derived cancer organoid viability, thus opening new avenues for the application of these models to studies of cancer biology and therapy.

Abstract Purpose Despite significant advances in the treatment paradigm for patients with metastatic melanoma, melanoma brain metastasis (MBM) continues to represent a significant treatment challenge. The study of MBM is limited, in part, by shortcomings in existing preclinical models. Surgically eXplanted Organoids (SXOs) are ex vivo, three-dimensional cultures prepared from primary tissue samples with minimal processing that recapitulate genotypic and phenotypic features of parent tumors and are grown without artificial extracellular scaffolding. We aimed to develop the first matched patient-derived SXO and cell line models of MBM to investigate responses to targeted therapy. Methods MBM SXOs were created by a novel protocol incorporating techniques for establishing glioma and cutaneous melanoma organoids. A BRAF V600K -mutant and BRAF-wildtype MBM sample were collected directly from the operating room for downstream experiments. Organoids were cultured in an optimized culture medium without an artificial extracellular scaffold. Concurrently, matched patient-derived cell lines were created. Drug screens were conducted to assess treatment response in SXOs and cell lines. Results Organoid growth was observed within 3-4 weeks, and MBM SXOs retained histological features of the parent tissue, including pleomorphic epithelioid cells with abundant cytoplasm, large nuclei, focal melanin accumulation, and strong SOX10 positivity. After sufficient growth, organoids could be manually parcellated to increase the number of replicates. Matched SXOs and cell lines demonstrated sensitivity to BRAF and MEK inhibitors. Conclusion Here, we describe the creation of a scaffold-free organoid model of MBM. Further study using SXOs may improve the translational relevance of preclinical studies and enable the study of the metastatic melanoma tumor microenvironment.