Nutrition exerts considerable effects on health, and dietary interventions are commonly used to treat diseases of metabolic aetiology. Although cancer has a substantial metabolic component1, the principles that define whether nutrition may be used to influence outcomes of cancer are unclear2. Nevertheless, it is established that targeting metabolic pathways with pharmacological agents or radiation can sometimes lead to controlled therapeutic outcomes. By contrast, whether specific dietary interventions can influence the metabolic pathways that are targeted in standard cancer therapies is not known. Here we show that dietary restriction of the essential amino acid methionine—the reduction of which has anti-ageing and anti-obesogenic properties—influences cancer outcome, through controlled and reproducible changes to one-carbon metabolism. This pathway metabolizes methionine and is the target of a variety of cancer interventions that involve chemotherapy and radiation. Methionine restriction produced therapeutic responses in two patient-derived xenograft models of chemotherapy-resistant RAS-driven colorectal cancer, and in a mouse model of autochthonous soft-tissue sarcoma driven by a G12D mutation in KRAS and knockout of p53 (KrasG12D/+;Trp53−/−) that is resistant to radiation. Metabolomics revealed that the therapeutic mechanisms operate via tumour-cell-autonomous effects on flux through one-carbon metabolism that affects redox and nucleotide metabolism—and thus interact with the antimetabolite or radiation intervention. In a controlled and tolerated feeding study in humans, methionine restriction resulted in effects on systemic metabolism that were similar to those obtained in mice. These findings provide evidence that a targeted dietary manipulation can specifically affect tumour-cell metabolism to mediate broad aspects of cancer outcome. In two patient-derived xenograft models of colorectal cancer and a mouse model of autochthonous soft-tissue sarcoma, dietary restriction of methionine influences the outcome of cancer and interacts with antimetabolite and radiation therapies, through effects on one-carbon metabolism.

Summary Cells have evolved mechanisms to distribute ∼10 billion protein molecules to subcellular compartments where diverse proteins involved in shared functions must efficiently assemble. Such assembly is presumed to unfold as a result of specific interactions between biomolecules; however, recent evidence suggests that distinctive chemical environments within subcellular compartments may also play an important role. Here, we test the hypothesis that protein groups with shared functions also share codes that guide them to compartment destinations. To test our hypothesis, we developed a transformer large language model, called ProtGPS, that predicts with high performance the compartment localization of human proteins excluded from the training set. We then demonstrate ProtGPS can be used for guided generation of novel protein sequences that selectively assemble into specific compartments in cells. Furthermore, ProtGPS predictions were sensitive to disease-associated mutations that produce changes in protein compartmentalization, suggesting that this type of pathogenic dysfunction can be discovered in silico. Our results indicate that protein sequences contain not only a folding code, but also a previously unrecognized chemical code governing their distribution in specific cellular compartments.

Nutrition exerts profound effects on health and dietary interventions are commonly used to treat diseases of metabolic etiology. Although cancer has a substantial metabolic component, the principles that define whether nutrition may be used to influence tumour outcome are unclear. Nevertheless, it is established that targeting metabolic pathways with pharmacological agents or radiation can sometimes lead to controlled therapeutic outcomes. In contrast, whether specific dietary interventions could influence the metabolic pathways that are targeted in standard cancer therapies is not known. We now show that dietary restriction of methionine (MR), an essential amino acid, and the reduction of which has aging and obesogenic properties, influences cancer outcome through controlled and reproducible changes to one carbon metabolism. This pathway metabolizes methionine and further is the target of a host of cancer interventions involving chemotherapy and radiation. MR produced therapeutic responses in chemoresistant RAS-driven colorectal cancer patient derived xenografts and autochthonous KRAS G12D +/−; TP53 −/− -driven soft tissue sarcomas resistant to radiation. Metabolomics revealed the therapeutic mechanisms to occur through tumor cell autonomous effects on the flux through one carbon metabolism that impacted redox and nucleotide metabolism, thus interacting with the antimetabolite or radiation intervention. Finally, in a controlled and tolerated feeding study in humans, MR resulted in similar effects on systemic metabolism as obtained in responsive mice. These findings provide evidence that a targeted dietary manipulation can affect specific tumor cell metabolism to mediate broad aspects of cancer outcome.

The co-deletion of a common tumor suppressor locus and neighboring metabolic gene is an attractive possible synthetic dependency of tumor suppression on metabolism. However, the general impact that these co-deletions have on metabolism, which also dependent on nutrient availability and the tissue of origin, is unknown. As a model to investigate this question, we considered a set of tissue-matched cancer cells with homozygous co-deletions in CDKN2a and MTAP, genes respectively encoding the most commonly deleted tumor suppressor p16 and an enzyme involved in methionine metabolism. A comparative metabolomics analysis revealed that while there exists a definite pan-cancer metabolic signature of MTAP-deletion, this signature was not preserved when cells were subjected to changes in the availability of methionine, serine, or cysteine, nutrients related to methionine metabolism. Notably, the heterogeneity exhibited by these cells in their responsiveness to nutrient availability dominated both MTAP status and tissue-of-origin. Furthermore, re-expression of MTAP exerted a modest effect on metabolism. Together these findings demonstrate that environmental factors, particularly nutrition and tissue identity, may overwhelm the genetic effects of collateral deletions of metabolic genes.