Summary Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) is characterized by a heterogenous and densely fibrotic microenvironment. This limits functional vasculature and diffusion of nutrients through the tumor 1,2 . Accordingly, pancreatic cancer cells develop numerous metabolic adaptations to survive and proliferate in nutrient austere conditions 3-7 . Subtypes of PDA have been characterized by transcriptional and functional differences 8-12 , which have been reported to exist within the same tumor 13-15 . However, it remains unclear if this diversity extends to metabolic programming. Here, using a combination of metabolomic profiling and functional interrogation of metabolic dependencies, we identify two distinct metabolic subclasses within neoplastic populations isolated from a single pancreatic tumor. Furthermore, these populations are poised for metabolic crosstalk, and in examining this, we find an unexpected role for asparagine in maintaining cell proliferation following mitochondrial inhibition. Functionally, when challenged by mitochondrial inhibition, asparagine supplementation increases intracellular levels of asparagine and aspartate, a rate limiting biosynthetic precursor 16-18 . Conversely, depletion of extracellular asparagine with PEG-asparaginase sensitizes pancreatic tumors to mitochondrial targeting with phenformin. Together, these data extend the concept of metabolic diversity to neoplastic populations within individual tumors, while illustrating a new method of intratumoral communication that supports tumor fitness 19,20 . Finally, the combination of asparaginase with mitochondrial inhibition could provide a powerful new strategy for this difficult to treat disease.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) is a lethal disease characterized by high invasiveness, therapeutic resistance, and metabolic aberrations. Although altered metabolism drives PDA growth and survival, the complete spectrum of metabolites used as nutrients by PDA remains largely unknown. Here, we aimed to determine novel nutrients utilized by PDA. We assessed how >175 metabolites impacted metabolic activity in 19 PDA cell lines under nutrient-restricted conditions. This analysis identified uridine as a novel metabolite driver of PDA survival in glucose-deprived conditions. Uridine utilization strongly correlated with expression of the enzyme uridine phosphorylase 1 (UPP1). Metabolomics profiling, notably 13 C-stable isotope tracing, revealed that uridine-derived ribose is the relevant component supporting redox balance, survival, and proliferation in glucose-deprived PDA cells. We demonstrate that UPP1 catabolizes uridine, shunting its ribose component into central carbon metabolism to support glycolysis, the tricarboxylic acid (TCA) cycle and nucleotide biosynthesis. Compared to non-tumoral tissues, we show that PDA tumors express high UPP1 , which correlated with poor overall survival in multiple patient cohorts. Further, uridine is enriched in the pancreatic tumor microenvironment, and we demonstrate that this may be provided in part by tumor associated macrophages. Finally, we found that inhibition of UPP1 restricted the ability of PDA cells to use uridine, and that UPP1 knockout impairs tumor growth in vivo . Our data identifies uridine catabolism as a critical aspect of compensatory metabolism in nutrient-deprived PDA cells, suggesting a novel metabolic axis for PDA therapy.

ABSTRACT The tumor microenvironment (TME) in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) restricts vascularization and, consequently, access to blood-derived nutrients and oxygen, which impacts tumor growth. Intracellular redox imbalance is another restraint on cellular proliferation, yet it is unknown if the TME contributes to the maintenance of redox homeostasis in PDA cells. Here, we demonstrate that the loss of mitochondrial glutamate-oxaloacetate transaminase 2 (GOT2), a component in the malate-aspartate shuttle, disturbs redox homeostasis and halts proliferation of PDA cells in vitro. In contrast, GOT2 inhibition has no effect on in vivo tumor growth or tumorigenesis in an autochthonous model. We propose that this discrepancy is explained by heterocellular pyruvate exchange from the TME, including from cancer associated fibroblasts. More broadly, pyruvate similarly confers resistance to inhibitors of mitochondrial respiration. Genetic or pharmacologic inhibition of pyruvate uptake or metabolism abrogated pyruvate-mediated alleviation of reductive stress from NADH buildup. In sum, this work describes a potential resistance mechanism mediated by metabolic crosstalk within the pancreatic TME. These findings have important implications for metabolic treatment strategies since several mitochondrial inhibitors are currently in clinical trials for PDA and other cancers.

Abstract An extensive fibroinflammatory stroma rich in macrophages is a hallmark of pancreatic cancer. In this disease, it is well appreciated that macrophages are immunosuppressive and contribute to the poor response to immunotherapy; however, the mechanisms of immune suppression are complex and not fully understood. Immunosuppressive macrophages are classically defined by expression of the enzyme Arginase 1 (Arg1), which we demonstrated is potently expressed in pancreatic tumor associated macrophages from both human patients and mouse models. While routinely used as a polarization marker, Arg1 also catabolizes arginine, an amino acid required for T cell activation and proliferation. To investigate this metabolic function, we used a genetic and a pharmacologic approach to target Arg1 in pancreatic cancer. Genetic inactivation of Arg1 in macrophages, using a dual recombinase genetically engineered mouse model of pancreatic cancer, delayed formation of invasive disease, while increasing CD8 + T cell infiltration. Treatment of established tumors with the arginase inhibitor CB-1158 exhibited further increased CD8 + T cell infiltration, beyond that seen with the macrophage-specific knockout, and sensitized the tumors to anti-PD1 immune checkpoint blockade. Thus, our data demonstrate that Arg1 is more than simply a marker of macrophage function. Rather, Arg1 is also a driver of immune suppression and represents a promising immunotherapeutic target for pancreatic cancer.

Malic Enzyme 1 (ME1) plays an integral role in fatty acid synthesis and cellular energetics through its production of NADPH and pyruvate. As such, it has been identified as a gene of interest in obesity, type 2 diabetes, and an array of epithelial cancers, with most work being performed in vitro . The current standard model for ME1 loss in vivo is the spontaneous Mod-1 null allele, which produces a canonically inactive form of ME1. Herein, we describe two new genetically engineered mouse models exhibiting ME1 loss at dynamic timepoints. Using murine embryonic stem cells and Flp/FRT and Cre/loxP class switch recombination, we established a germline Me1 knockout model (Me1 KO) and an inducible conditional knockout model (Me1 cKO), activated upon tamoxifen treatment in adulthood. Collectively, neither the Me1 KO nor Me1 cKO models exhibited deleterious phenotype under standard laboratory conditions. Knockout of ME1 was validated by immunohistochemistry and genotype confirmed by PCR. Transmission patterns favor Me1 loss in Me1 KO mice when maternally transmitted to male progeny. Hematological examination of these models through complete blood count and serum chemistry panels revealed no discrepancy with their wild-type counterparts. Orthotopic pancreatic tumors in Me1 cKO mice grow similarly to Me1 expressing mice. Similarly, no behavioral phenotype was observed in Me1 cKO mice when aged for 52 weeks. Histological analysis of several tissues revealed no pathological phenotype. These models provide a more modern approach to ME1 knockout in vivo while opening the door for further study into the role of ME1 loss under more biologically relevant, stressful conditions.

Abstract Genomic profiling has unveiled the molecular subtypes and mutational landscape of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). However, there is a knowledge gap on the consistency of gene expression across PDAC tumors profiled in independent studies and this limits follow up research. To facilitate novel drug target prioritization and biomarker discovery, we investigated the most consistently expressed genes in human PDAC. We identified ~4,000 genes highly or lowly expressed in at least 4 of 5 microarrays (adjusted P <0.05) and validated their expression pattern in additional datasets, bulk tumor and single-cell RNA sequencing samples. Over 50% of the genes were previously uncharacterized in PDAC; many correlated with proliferation, metastasis, mutation, tumor grade, and ~41% predicted overall survival. We identified 185 high-priority targets (notably in cell cycle and glycolysis) whose inhibition suppressed PDAC cell viability in multiple RNA interference datasets and these genes predicted treatment in mouse models. Our results represent important milestone in the quest for mechanisms, drug targets and biomarkers in PDAC, and originate from an adaptable analytical concept that can aid discovery in other cancers. Highlights Identifies ~4,000 consistent genes across PDAC microarrays, >50% of which have not been studied Glycolysis and cell cycle are the most consistent processes in PDAC Heterogeneous pathways underlie or correlate with clinicopathological variables Identifies 205 genes with similar expression pattern in PDAC tissues and peripheral blood Highlights 185 upregulated genes that are high priority therapeutic targets in PDAC

Abstract Pancreatic cancer is characterized by an extensive fibroinflammatory microenvironment. During carcinogenesis, normal stromal cells are converted to cytokine-high cancer associated fibroblasts (CAFs). The mechanisms underlying this conversion, including regulation and function of fibroblast-derived cytokines, are poorly understood. Thus, efforts to target CAFs therapeutically have so far failed. Here, we show that signals from epithelial cells expressing oncogenic KRAS –a hallmark pancreatic cancer mutation– activate fibroblast autocrine signaling, which drives expression of the cytokine interleukin-33 (IL-33). Stromal IL-33 expression remains high and dependent on epithelial KRAS throughout carcinogenesis; in turn, environmental stress induces IL-33 secretion. Using compartment-specific IL-33 knockout mice, we observed that lack of stromal IL-33 leads to profound reprogramming of multiple components of the pancreatic tumor microenvironment, including CAFs, myeloid cells and lymphocytes. Notably, loss of stromal IL-33 leads to an increase in CD8+ T cell infiltration and activation, and, ultimately, reduced tumor growth.

ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is characterized by an extensive fibroinflammatory stroma and often experiences conditions of insufficient oxygen availability, or hypoxia. Cancer-associated fibroblasts (CAF) are a predominant and heterogeneous population of stromal cells within the pancreatic tumor microenvironment. Here, we uncover a previously unrecognized role for hypoxia in driving an inflammatory phenotype in PDAC CAFs. We identify hypoxia as a strong inducer of tumor IL1α expression, which is required for inflammatory CAF (iCAF) formation. Notably, iCAFs preferentially reside in hypoxic regions of PDAC. Our data implicate hypoxia as a critical regulator of CAF heterogeneity in PDAC.

Pancreatic cancer, one of the deadliest human malignancies, has a dismal 5-year survival rate of 9%. The high mortality rate can be attributed to multiple factors, including late diagnosis and lack of effective therapies. KRAS is the most commonly mutated gene in pancreatic cancer, but clinical agents that directly target mutant KRAS are not available. Several effector pathways are activated downstream of oncogenic Kras, including MAPK signaling. MAPK signaling can be inhibited by targeting MEK1/2; unfortunately, this approach has been largely ineffective in pancreatic cancer. Here, we set out to identify mechanisms of MEK inhibitor resistance in pancreatic cancer using primary mouse and human 3D organoid cultures. We optimized the culture of pancreatic tumor organoids that utilized Matrigel as a basement membrane mimetic, facilitating polarized growth. Pancreatic tumor organoids recapitulated mutant KRAS dependency and recalcitrance to MEK inhibition. Treatment of the organoids with trametinib, a MEK inhibitor, had only a modest effect on these cultures. We observed that cells adjacent to the basement membrane mimetic Matrigel survived MEK inhibition, while the cells in the interior layers underwent apoptosis. Our findings suggested that basement membrane attachment provided survival signals. We thus targeted integrin β1, a mediator of extracellular matrix contact, and found that combined MEK and integrin β1 inhibition bypassed trametinib resistance. Our data support exploring integrin signaling inhibition as a component of combination therapy in pancreatic cancer.