Despite being FDA-approved for COVID-19, the clinical efficacy of remdesivir (Veklury®) remains contentious. We previously pointed out pharmacokinetic, pharmacodynamic and toxicology reasons for why its parent nucleoside GS-441524, is better suited for COVID-19 treatment. Here, we assess the oral bioavailability of GS-441524 in beagle dogs and show that plasma concentrations ~24-fold higher than the EC50 against SARS-CoV-2 are easily and safely sustained. These data support translation of GS-441524 as an oral agent for COVID-19.

ABSTRACT Infections with the pathogenic free-living amoebae Naegleria fowleri can lead to life-threatening illnesses including catastrophic primary amebic meningoencephalitis (PAM). Efficacious treatment options for these infections are lacking and the mortality rate remains >95% in the US. Glycolysis is very important for the infectious trophozoite lifecycle stage and inhibitors of glucose metabolism have been found to be toxic to the pathogen. Recently, human enolase 2 (ENO2) phosphonate inhibitors have been developed as lead agents to treat glioblastoma multiforme (GBM). These compounds, which cure GBM in a rodent model, are well-tolerated in mammals because enolase 1 (ENO1) is the predominant isoform used systemically. Here, we describe findings that demonstrate that these agents are potent inhibitors of N. fowleri ENO ( Nf ENO) and are lethal to amoebae. In particular, (1-hydroxy-2-oxopiperidin-3-yl) phosphonic acid (HEX) was a potent enzyme inhibitor (IC 50 value of 0.14 ± 0.04 µM) that was toxic to trophozoites (EC 50 value of 0.21 ± 0.02 µM) while the reported CC 50 was >300 µM. Molecular docking simulation revealed that HEX binds strongly to the active site of Nf ENO with a binding affinity of –8.6 kcal/mol. Metabolomic studies of parasites treated with HEX revealed a 4.5 to 78-fold accumulation of glycolytic intermediates upstream of Nf ENO. Last, nasal instillation of HEX increased longevity of amoebae-infected rodents. Two days after infection, animals were treated for 10 days with 3 mg/kg HEX, followed by one week of observation. At the conclusion of the experiment, eight of 12 HEX-treated animals remained alive (resulting in an indeterminable median survival time) while one of 12 vehicle-treated rodents remained, yielding a median survival time of 10.9 days. Brains of six of the eight survivors were positive for amoebae, suggesting the agent at the tested dose suppressed, but did not eliminate, infection. These findings suggest that HEX is a promising lead for the treatment of PAM.

Abstract Puromycin is an amino nucleoside that inhibits protein synthesis by interrupting elongation of nascent peptide chains. It is a commonly used selection antibiotic in molecular biology research via engineered expression of a puromycin resistance transgene. The enzyme puromycin acetyl transferase (pac) or PuroR inactivates puromycin by N-acetylating its reactive amino group. Puromycin acetylation by pac requires the central metabolite and acetyl group donor acetyl-CoA as a substrate. We found that puromycin treatment exacerbates sensitivity of cancer cells to knockdown of pantothenate kinases, the proteins that catalyze the rate-limiting step of de novo coenzyme A production in cells. Mechanistically, we found that ablation of PANKs together with puromycin depletes acetyl-CoA levels, in a manner modulated by the dose of puromycin. Our findings provide a note of caution and context in the use of puromycin for metabolism research in that interference with the major acyl donor used for inactivating biotransformation may exacerbate toxicity under selection. Broadly, our findings also invite studies to explore how targeting CoA and acetyl-CoA synthesis may be exploited to enhance cytotoxic effects of cancer drugs that undergo acetylation.

ABSTRACT Genomic deletion of tumor suppressor genes (TSG) often encompasses neighboring genes which may be members of multi-gene families encoding cell essential functions. These genomic events create targetable cancer-specific vulnerabilities, termed “collateral lethality” as illustrated by homozygous deletion of the glycolytic gene ENO1 , which sensitizes glioblastoma (GBM) cells to inhibition of its paralog ENO2 . Here, we sought to generalize the concept by validating a second multi-gene family in an unrelated metabolic pathway. Nicotinamide-nucleotide adenylyltransferase (NMNAT) is an essential and (unlike the more extensively studied NAMPT) non-bypassable step in NAD biosynthesis encoded by three paralogs, one of which, NMNAT1 , is homozygously deleted as part of the 1p36 tumor suppressor locus in TCGA data of GBM, Cholangiocarcinoma and Hepatocellular carcinoma (with near zero expression of found in several other malignancies). In a glioma cell line (Gli56) with homozygous deletion of NMNAT1 expressing NMNAT2 and NMNAT3, shRNA-mediated knockdown of NMNAT2 is selectively toxic to Gli56 NMNAT1 -deleted but not ectopically rescued cells. As NMNAT1 and NMNAT2 are predominantly localized in the nucleus and cytosol, respectively, these data suggest a functionally common pool of cytosolic and nuclear NAD+. Inducible shRNA-mediated extinction of NMNAT2 decreases NAD+ levels and selectively kills NMNAT1 -deleted, but not NMNAT1 -rescued cells in vitro and eradicates intracranial tumors in vivo . Thus, collateral lethality is a generalizable framework for the development of new classes of targeted agents with an informed clinical development path in cancer. Statement of significance An ongoing challenge in precision oncology is the translation of genomic data into actionable therapeutic opportunities with clear clinical benefit. We have demonstrated that genes homozygously deleted by virtue of chromosomal proximity to major tumor suppressor genes can confer cancer-specific vulnerabilities, termed “collateral lethality”. While our previous work validated one such collateral lethality target in glycolysis, we now provide empirical in vitro and in vivo evidence that this concept applies to another deleted gene governing an altogether distinct biochemical pathway. The generalization of collateral lethality may expand the spectrum of molecular targets in cancer with a genomically-informed path for accurate clinical development.

Abstract Carboxy ester prodrugs have been widely employed as a means to increase oral absorption and potency of phosphonate antibiotics. Prodrugging can successfully mask problematic chemical features that prevent cellular uptake and can be used to target delivery of compounds to specific tissues. However, many carboxy ester promoieties are rapidly hydrolyzed by serum esterases, curbing their potential therapeutic applications. While carboxy ester-based prodrug targeting is feasible, it has seen limited use in microbes due to a paucity of information about the selectivity of microbial esterases. Here we identify the bacterial esterases, GloB and FrmB, that are required for carboxy ester prodrug activation in Staphylococcus aureus. Additionally, we determine the substrate specificities for FrmB and GloB and demonstrate the structural basis of these preferences. Finally, we establish the carboxy ester substrate specificities of human and mouse sera, which revealed several promoieties likely to be serum esterase-resistant while still being microbially labile. These studies lay the groundwork for structure-guided design of anti-staphyloccal promoieties and expand the range of molecules to target staphyloccal pathogens.

Abstract Coenzyme A (CoA) is an essential co-factor at the intersection of diverse metabolic pathways. Cellular CoA biosynthesis is regulated at the first committed step— phosphorylation of pantothenic acid—catalyzed by pantothenate kinases (PANK1,2,3 in humans, PANK3 being the most highly expressed). Despite the critical importance of CoA in metabolism, the differential roles of PANK isoforms remain poorly understood. Our investigations of PANK proteins as precision oncology collateral lethality targets ( PANK1 is co-deleted as part of the PTEN locus in some highly aggressive cancers) were severely hindered by a dearth of commercial antibodies that can reliably detect endogenous PANK3. While we successfully validated commercial antibodies for PANK1 and PANK2 using CRISPR knockout cell lines, we found no commercial antibody that could detect endogenous PANK3. We therefore set out to generate a mouse monoclonal antibody against human PANK3 protein. We demonstrate that clone (Clone MDA-299-62A) can reliably detect endogenous PANK3 protein in cancer cell lines, with band-specificity confirmed by CRISPR PANK3 knockout cell lines. Sub-cellular fractionation indicates that PANK3 is overwhelmingly cytosolic and expressed broadly across cancer cell lines. PANK3 monoclonal antibody MDA-299-62A should prove a valuable tool for researchers investigating this understudied family of metabolic enzymes in health and disease.

Extensive efforts have been made to use non-invasive 1H magnetic resonance (MR) spectroscopy to quantify metabolites that are diagnostic of specific disease states. Within the realm of precision oncology, these efforts have largely centered on quantifying 2-hydroxyglutarate (2-HG) in tumors harboring isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) mutations. As many metabolites have similar chemical shifts, the resulting 1H spectra of intact biological material are highly convoluted, limiting the application of 1H MR to high abundance metabolites. Hydrogen-Carbon Heteronuclear single quantum correlation 1H-13C HSQC is routinely employed in organic synthesis to resolve complex spectra but has received limited attention for biological studies. Here, we show that 1H-13C HSQC offers a dramatic improvement in sensitivity compared to one-dimensional (1D) 13C NMR and dramatic signal deconvolution compared to 1D 1H spectra in an intact biological setting. Using a standard NMR spectroscope without specialized signal enhancements features such as magic angle spinning, metabolite extractions or 13C-isotopic enrichment, we obtain well-resolved 2D 1H-13C HSQC spectra in live cancer cells, in ex-vivo freshly dissected xenografted tumors and resected primary tumors. We demonstrate that this method can readily identify tumors with specific genetic-driven oncometabolite alterations such as IDH mutations with elevation of 2-HG as well as PGD-homozygously deleted tumors with elevation of gluconate. These data support the potential of 1H-13C HSQC as a non-invasive diagnostic tool for metabolic precision oncology.

ABSTRACT Glycolysis controls cellular energy, redox balance, and biosynthesis. Antiglycolytic therapies are under investigation for treatment of obesity, cancer, aging, autoimmunity, and microbial diseases. Interrupting glycolysis is highly valued as a therapeutic strategy, because glycolytic disruption is generally tolerated in mammals. Unfortunately, anemia is a known dose-limiting side effect of these inhibitors and presents a major caveat to development of antiglycolytic therapies. We developed specific inhibitors of enolase – a critical enzyme in glycolysis – and validated their metabolic and cellular effects on human erythrocytes. Enolase inhibition increases erythrocyte susceptibility to oxidative damage and induces rapid and premature erythrocyte senescence, rather than direct hemolysis. We apply our model of red cell toxicity to address questions regarding erythrocyte glycolytic disruption in the context of Plasmodium falciparum malaria pathogenesis. Our study provides a framework for understanding red blood cell homeostasis under normal and disease states and clarifies the importance of erythrocyte reductive capacity in malaria parasite growth.

Inhibiting glycolysis remains an aspirational approach for the treatment of cancer. We recently demonstrated that SF2312, a natural product phosphonate antibiotic, is a potent inhibitor of the glycolytic enzyme Enolase with potential utility for the collateral lethality-based treatment of Enolase-deficient glioblastoma (GBM). However, phosphonates are anionic at physiological pH, limiting cell and tissue permeability. Here, we show that addition of pivaloyloxymethyl (POM) groups to SF2312 (POMSF) dramatically increases potency, leading to inhibition of glycolysis and killing of ENO1-deleted glioma cells in the low nM range. But the utility of POMSF in vivo is dose-limited by severe hemolytic anemia. A derivative, POMHEX, shows equipotency to POMSF without inducing hemolytic anemia. POMHEX can eradicate intracranial orthotopic ENO1-deleted tumors, despite sub-optimal pharmacokinetic properties. Taken together, our data provide in vivo proof-of-principal for collateral lethality in precision oncology and showcase POMHEX as a useful molecule for the study of glycolysis in cancer metabolism.

Tumor angiogenesis is a cancer hallmark, and its therapeutic inhibition has provided meaningful, albeit limited, clinical benefit. While anti-angiogenesis inhibitors deprive the tumor of oxygen and essential nutrients, cancer cells activate metabolic adaptations to diminish therapeutic response. Despite these adaptations, angiogenesis inhibition incurs extensive metabolic stress, prompting us to consider such metabolic stress as an induced vulnerability to therapies targeting cancer metabolism. Metabolomic profiling of angiogenesis-inhibited intracranial xenografts showed universal decrease in tricarboxylic acid cycle intermediates, corroborating a state of anaplerotic nutrient deficit or stress. Accordingly, we show strong synergy between angiogenesis inhibitors (Avastin, Tivozanib) and inhibitors of glycolysis or oxidative phosphorylation through exacerbation of anaplerotic nutrient stress in intracranial orthotopic xenografted gliomas. Our findings were recapitulated in GBM xenografts that do not have genetically predisposed metabolic vulnerabilities at baseline. Thus, our findings cement the central importance of the tricarboxylic acid cycle as the nexus of metabolic vulnerabilities and suggest clinical path hypothesis combining angiogenesis inhibitors with pharmacological cancer interventions targeting tumor metabolism for GBM tumors.