One-carbon (1C) units for purine and thymidine synthesis can be generated from serine by cytosolic or mitochondrial folate metabolism. The mitochondrial 1C pathway is consistently overexpressed in cancer. Here, we show that most but not all proliferating mammalian cell lines use the mitochondrial pathway as the default for making 1C units. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-mediated mitochondrial pathway knockout activates cytosolic 1C-unit production. This reversal in cytosolic flux is triggered by depletion of a single metabolite, 10-formyl-tetrahydrofolate (10-formyl-THF), and enables rapid cell growth in nutrient-replete conditions. Loss of the mitochondrial pathway, however, renders cells dependent on extracellular serine to make 1C units and on extracellular glycine to make glutathione. HCT-116 colon cancer xenografts lacking mitochondrial 1C pathway activity generate the 1C units required for growth by cytosolic serine catabolism. Loss of both pathways precludes xenograft formation. Thus, either mitochondrial or cytosolic 1C metabolism can support tumorigenesis, with the mitochondrial pathway required in nutrient-poor conditions.

Myc is one of the most commonly deregulated oncogenes in human cancer, yet therapies directly targeting Myc hyperactivation are not presently available in the clinic. The evolutionarily conserved function of Myc in modulating protein synthesis control is critical to the Myc oncogenic program. Indeed, enhancing the protein synthesis capacity of cancer cells directly contributes to their survival, proliferation, and genome instability. Therefore, inhibiting enhanced protein synthesis may represent a highly relevant strategy for the treatment of Myc-dependent human cancers. However, components of the translation machinery that can be exploited as therapeutic targets for Myc-driven cancers remain poorly defined. Here, we uncover a surprising and important functional link between Myc and mammalian target of rapamycin (mTOR)-dependent phosphorylation of eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein-1 (4EBP1), a master regulator of protein synthesis control. Using a pharmacogenetic approach, we find that mTOR-dependent phosphorylation of 4EBP1 is required for cancer cell survival in Myc-dependent tumor initiation and maintenance. We further show that a clinical mTOR active site inhibitor, which is capable of blocking mTOR-dependent 4EBP1 phosphorylation, has remarkable therapeutic efficacy in Myc-driven hematological cancers. Additionally, we demonstrate the clinical implications of these results by delineating a significant link between Myc and mTOR-dependent phosphorylation of 4EBP1 and therapeutic response in human lymphomas. Together, these findings reveal that an important mTOR substrate is found hyperactivated downstream of Myc oncogenic activity to promote tumor survival and confers synthetic lethality, thereby revealing a unique therapeutic approach to render Myc druggable in the clinic.

Significance Enzymes of the folate cycle are among the most consistently overexpressed proteins in cancer. Whereas multiple clinical agents inhibit thymidylate synthase, no current drugs target the incorporation of one-carbon into folates via serine hydroxymethyltransferase (SHMT). Using genetics, we show that cancer cells require SHMT to generate tumors. We then describe small-molecule SHMT inhibitors, and show that they block the growth of many human cancer cells, with B-cell lymphomas particularly sensitive to SHMT inhibition. We find that this sensitivity arises from the lymphomas’ inability to import the amino acid glycine, which is made as a byproduct of the SHMT reaction. Thus, B-cell lymphomas have an intrinsic defect in amino acid import, which causes a therapeutically targetable metabolic vulnerability.

ABSTRACT Despite the enormous harms of alcohol use disorders (AUDs), many mechanisms, as well as effective prevention or treatment strategies remain elusive. Genetic factors dictate a majority of AUD risk. These risk factors can manifest as reduced naïve sensitivity to alcohol’s intoxicating effects and increased functional tolerance, i.e., brain-mediated decreases in sensitivity upon repeat exposure. The underlying neurobiology of how AUD-associated genes alter these endophenotypes remains poorly understood. Genes implicated in AUDs include epigenetic modifiers, such as histone demethylases, including Kdm3 . We previously showed that whole-body and neuronal Kdm3 strongly affect ethanol sensitivity and tolerance in Drosophila . Here, we investigate the mechanisms of these effects, and, by extension, mechanisms of sensitivity and tolerance. RNA-seq and pathway analysis on Kdm3 KO flies revealed disproportionate upregulation of genes involved in amino acid metabolism, including 1-carbon pathways. We show that acute amino acid feeding modulates sensitivity and tolerance in a Kdm3 -dependent manner. Global manipulation of 1-carbon genes, especially glycine N -methyltransferase ( Gnmt ), glycine decarboxylase ( Gldc ), and sarcosine dehydrogenase ( Sardh ), alters alcohol sensitivity and tolerance. These changes in alcohol responses are likely mediated by global glycine levels (a substrate of these enzymes) rather than by 1-carbon input. Conversely, neuronal manipulations of 1-carbon pathways change alcohol sensitivity and tolerance in a pattern that suggests a mechanism through S -adenosyl methionine (SAM), a 1-carbon metabolite that is the universal methyl donor required for epigenetic methylation. Increasing SAM production specifically in glutamatergic neurons increases sensitivity and tolerance. Together, these findings reveal distinct mechanisms affecting alcohol sensitivity and tolerance globally (via glycine) and neuronally (via SAM), thus revealing an important and complex role of 1-carbon metabolism in mediating AUD phenotypes.

The clinical therapy for treating acute myocardial infarction is primary percutaneous coronary intervention (PPCI). PPCI is effective at reperfusing the heart, however the rapid re-introduction of blood can cause ischemia-reperfusion (I/R). Reperfusion injury is responsible for up to half of the final myocardial damage, but there are no pharmacological interventions to reduce I/R. We previously demonstrated that inhibiting monocarboxylate transporter 4 (MCT4) and re-directing pyruvate towards oxidation can blunt hypertrophy. We hypothesized this pathway might be important during I/R. Here, we establish that the pyruvate-lactate axis plays a role in determining myocardial salvage following injury. Post-I/R, the mitochondrial pyruvate carrier (MPC), required for pyruvate oxidation, is upregulated in the surviving myocardium. In cardiomyocytes lacking the MPC, there was increased cell death and less salvage after I/R, which was associated with an upregulation of MCT4. To determine the importance of pyruvate oxidation, we inhibited MCT4 with a small-molecule drug (VB124) at reperfusion. This strategy normalized reactive oxygen species (ROS), mitochondrial membrane potential (∆Ψ), and Ca2+, increased pyruvate entry to TCA cycle, increased oxygen consumption, improved myocardial salvage and functional outcomes following I/R. Our data suggests normalizing pyruvate-lactate metabolism by inhibiting MCT4 is a promising therapy to mitigate I/R injury.

Summary Tumor cells must optimize metabolite acquisition between synthesis and uptake from their surroundings. The tumor microenvironment is characterized by hypoxia, lactate accumulation, and depletion of many circulating metabolites, including amino acids such as arginine. We performed a metabolism-focused functional screen using CRISPR/Cas9 in a melanoma cell line to identify pathways and factors that enable tumor growth in an arginine-depleted environment. Our screen identified the SLC-family transporter SLC7A5 as required for growth, and we hypothesized that this protein functions as a high-affinity citrulline transporter. Citrulline, an essential precursor to arginine synthesis, is present in human serum at 40 μM and supports localized arginine synthesis across diverse tissues. Using isotopic tracing experiments, we show that citrulline uptake and metabolism are dependent upon expression of this transporter. Pharmacological inhibition of SLC7A5 blocks growth in low arginine conditions across a diverse group of cancer cell lines. Loss of SLC7A5 reduces tumor growth and citrulline import in a mouse tumor model. Overall, we identify a conditionally essential role for SLC7A5 in arginine metabolism as a mediator of citrulline uptake, and we propose that SLC7A5-targeting therapeutic strategies in cancer may be especially effective in the context of arginine limitation. Key Points SLC7A5 is required for proliferation in arginine-free conditions when citrulline is present. SLC7A5 loss impairs arginine metabolism. Citrulline import is uniquely dependent on SLC7A5. Small molecule inhibitors of SLC7A5 can be paired with senolytic drugs to drive apoptosis. SLC7A5 knockout decreases citrulline import in a xenograft model.

Activating mutations in the CTNNB1 gene encoding β-catenin are among the most frequently observed oncogenic alterations in hepatocellular carcinoma (HCC). HCC with CTNNB1 mutations show profound alterations in lipid metabolism including increases in fatty acid oxidation and transformation of the phospholipidome, but it is unclear how these changes arise and whether they contribute to the oncogenic program in HCC. We employed untargeted lipidomics and targeted isotope tracing to quantify phospholipid production fluxes in an inducible human liver cell line expressing mutant β-catenin, as well as in transgenic zebrafish with activated β-catenin-driven HCC. In both models, activated β-catenin expression was associated with large changes in the lipidome including conserved increases in acylcarnitines and ceramides and decreases in triglycerides. Lipid flux analysis in human cells revealed a large reduction in phosphatidylcholine (PC) production rates as assayed by choline tracer incorporation. We developed isotope tracing lipid flux analysis for zebrafish and observed similar reductions in phosphatidylcholine synthesis flux accomplished by sex-specific mechanisms. The integration of isotope tracing with lipid abundances highlights specific lipid class transformations downstream of β-catenin signaling in HCC and suggests future HCC-specific lipid metabolic targets.