Biallelic germline mutations in the SLC25A1 gene lead to combined D/L-2-hydroxyglutaric aciduria (D/L-2HGA), a fatal systemic disease uniquely characterized by the accumulation of both enantiomers of 2-hydroxyglutaric acid (2HG). How SLC25A1 deficiency contributes to D/L-2HGA and the role played by 2HG is unclear and no therapy exists. Both enantiomers act as oncometabolites, but their activities in normal tissues remain understudied. Here we show that mice lacking both SLC25A1 alleles exhibit developmental abnormalities that mirror human D/L-2HGA. SLC25A1 deficient cells undergo premature senescence, suggesting that loss of proliferative capacity underlies the pathogenesis of D/L-2HGA. Remarkably, D- and L-2HG directly induce senescence and treatment of zebrafish embryos with the combination of D- and L-2HG phenocopies SLC25A1 loss, leading to developmental abnormalities in an additive fashion relative to either enantiomer alone. Metabolic analyses further demonstrate that cells with dysfunctional SLC25A1 undergo mitochondrial respiratory deficit and remodeling of the metabolism and we propose several strategies to correct these defects. These results reveal for the first time pathogenic and growth suppressive activities of 2HG in the context of SLC25A1 deficiency and suggest that targeting the 2HG pathway may be beneficial for the treatment of D/L-2HGA.

Fatty acid synthase (FASN) maintains de novo lipogenesis (DNL) to support rapid growth in most proliferating cancer cells. Lipogenic acetyl-CoA is primarily produced from carbohydrates but can arise from glutamine-dependent reductive carboxylation under hypoxia. Here we show that reductive carboxylation also occurs in the absence of DNL in cells with defective FASN. In this state, reductive carboxylation was mainly catalyzed by isocitrate dehydrogenase-1 (IDH1) in the cytosol, but IDH1-generated citrate was not used for DNL. Metabolic flux analysis (MFA) revealed that FASN-deficiency induced a net cytosol-to-mitochondria citrate flux through citrate transport protein (CTP). A similar pathway was previously shown to mitigate detachment-induced mitochondrial reactive oxygen species (mtROS) in anchorage-independent tumor spheroids. We further demonstrate that FASN-deficient cells acquire resistance to oxidative stress in a CTP- and IDH1-dependent manner. Together with the reduced FASN activity in tumor spheroids, these data indicate that anchorage-independent malignant cells trade FASN-supported rapid growth for a cytosol-to-mitochondria citrate flux to gain redox capacity against detachment-induced oxidative stress.

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.