Abstract Homologous recombination (HR) deficiency enhances sensitivity to DNA damaging agents commonly used to treat cancer. In HR-proficient cancers, metabolic mechanisms driving response or resistance to DNA damaging agents remain unclear. Here we identified that depletion of alpha-ketoglutarate (αKG) sensitizes HR-proficient cells to DNA damaging agents by metabolic regulation of histone acetylation. αKG is required for the activity of αKG-dependent dioxygenases (αKGDDs), and prior work has shown that changes in αKGDD affect demethylases. Using a targeted CRISPR knockout library consisting of 64 αKGDDs, we discovered that Trimethyllysine Hydroxylase Epsilon (TMLHE), the first and rate-limiting enzyme in de novo carnitine synthesis, is necessary for proliferation of HR-proficient cells in the presence of DNA damaging agents. Unexpectedly, αKG-mediated TMLHE-dependent carnitine synthesis was required for histone acetylation, while histone methylation was affected but dispensable. The increase in histone acetylation via αKG-dependent carnitine synthesis promoted HR-mediated DNA repair through site- and substrate-specific histone acetylation. These data demonstrate for the first time that HR-proficiency is mediated through αKG directly influencing histone acetylation via carnitine synthesis and provide a metabolic avenue to induce HR-deficiency and sensitivity to DNA damaging agents.

p16 is a tumor suppressor encoded by the CDKN2A gene whose expression is lost in ~50% of all human cancers. In its canonical role, p16 inhibits the G1-S phase cell cycle progression through suppression of cyclin dependent kinases. Interestingly, p16 also has roles in metabolic reprogramming, and we previously published that loss of p16 promotes nucleotide synthesis via the pentose phosphate pathway. Whether other nucleotide metabolic genes and pathways are affected by p16/CDKN2A loss and if these can be specifically targeted in p16/CDKN2A-low tumors has not been previously explored. Using CRISPR KO libraries in multiple isogenic human and mouse melanoma cell lines, we determined that many nucleotide metabolism genes are negatively enriched in p16/CDKN2A knockdown cells compared to controls. Indeed, many of the genes that are required for survival in the context of low p16/CDKN2A expression based on our CRISPR screens are upregulated in p16 knockdown melanoma cells and those with endogenously low CDKN2A expression. We determined that cells with low p16/Cdkn2a expression are sensitive to multiple inhibitors of de novo purine synthesis, including anti-folates. Tumors with p16 knockdown were more sensitive to the anti-folate methotrexate in vivo than control tumors. Together, our data provide evidence to reevaluate the utility of these drugs in patients with p16/CDKN2A-low tumors as loss of p16/CDKN2A may provide a therapeutic window for these agents.

ABSTRACT DNA damage and cellular metabolism are intricately linked with bidirectional feedback. Two of the main effectors of the DNA damage response and control of cellular metabolism are ATR and mTORC1, respectively. Prior work has placed ATR upstream of mTORC1 during replication stress, yet the direct mechanism for how mTORC1 is activated in this context remain unclear. We previously published that p16-low cells have mTORC1 hyperactivation, which in part promotes their proliferation. Using this model, we found that ATR, but not ATM, is upstream of mTORC1 activation via de novo cholesterol synthesis and is associated with increased lanosterol synthase (LSS). Indeed, p16-low cells showed increased cholesterol abundance. Additionally, knockdown of either ATR or LSS decreased mTORC1 activity. Decreased mTORC1 activity due to ATR knockdown was rescued by cholesterol supplementation. Finally, using both LSS inhibitors and multiple FDA-approved de novo cholesterol synthesis inhibitors, we found that the de novo cholesterol biosynthesis pathway is a metabolic vulnerability of p16-low cells. Together, our data provide new evidence coupling the DNA damage response and cholesterol metabolism and demonstrate the feasibility of using FDA-approved cholesterol-lowering drugs in tumors with loss of p16.

High grade serous ovarian cancer (HGSOC) is the most lethal gynecological cancer. Platinum-based therapies such as cisplatin are standard-of-care for HGSOC patients; however, the majority of HGSOCs initially treated with cisplatin will recur with widespread disseminated disease. Cisplatin induces cellular senescence, a stable cell cycle arrest. Although they are non-proliferative, senescent cells secrete a complex mix of cytokines and small molecules, named the senescence associated secretory phenotype (SASP), that have been shown to have pro-tumorigenic effects. To investigate how the SASP contributes to HGSOC progression, we used conditioned media from cisplatin therapy-induced senescent cells to culture naive HGSOC spheroids. We report that while the SASP does not affect spheroid formation, the adhesion of cells within spheroids is altered, leading to cell detachment from spheroids. Interestingly, our data indicate that this occurs in an MMP-independent manner. Analysis of RNA-Seq samples indicates many adhesion-related genes and adhesion factors are transcriptionally downregulated by the SASP, particularly fibronectin and integrins, which was validated by immunofluorescence in spheroids. These data reveal that senescent cells contribute to a transcriptional program in nearby cancer cells in a paracrine fashion that decreases their adhesion, which may contribute to tumor dissemination.