Abstract Throughout the metastatic cascade, cancer cells are faced with harsh metabolic environments and nutritional stresses which apply selection pressure leaving only the most metabolically resilient cells to survive and form metastases. Metabolic characterisation of such cell populations in vitro is currently challenging. Using galactose as a tool compound to mimic glycolytic limitation within the tumour microenvironment of primary and secondary neoplastic sites, we were able to uncover metabolic flexibility and plasticity of cancer cells in vitro . In contrast to the established idea that high glycolytic flux and expression of dimeric PKM2 redirects carbons towards anabolic routes such as the pentose phosphate pathway and serine synthesis pathway (SSP), we have discovered by using stable-isotope tracing that also glycolytic limitation results in metabolic rewiring. Surprisingly, despite limited carbon availability and energetic stress, cells induce a near complete block of pyruvate kinase isozyme M2 (PKM2) to divert carbons towards SSP. Simultaneously, TCA cycle flux is sustained and oxygen consumption is increased, both supported by glutamine. Glutamine not only supports TCA cycle flux but also SSP via distinct mechanisms. Due to PKM2 block, malic enzyme exclusively supports TCA cycle flux while mitochondrial phosphoenolpyruvate carboxykinase supports SSP. Moreover, by using genetic modifications of different one-carbon (1C) cycle enzymes, we are able to reverse the PKM2 block suggesting a link between mitochondrial 1C cycle and pyruvate kinase. Thus we show that PKM2 inhibition acts as a branching point to direct glycolytic and glutamine carbons into distinct routes, overall supporting the metabolic plasticity and flexibility of cancer cells.

Abstract Progression of primary cancer to metastatic disease is the most common cause of death in cancer patients with minimal treatment options available. Canonical drugs target mainly the proliferative capacity of cancer cells, which often leaves slow-proliferating, persistent cancer cells unaffected. Metabolic determinants that contribute to growth-independent functions supporting resistance and metastatic dissemination are still poorly understood. In the present study, we revealed that antifolate treatment results in an uncoupled and autarkic mitochondrial one-carbon (1C) metabolism allowing sustained serine catabolism and formate overflow when cytosolic 1C metabolism is impaired. Interestingly, antifolate dependent growth-arrest did not correlate with decreased migration capacity. Therefore, using the antifolate Methotrexate as a tool compound allowed us to disentangle proliferation and migration to profile the metabolic phenotype of migrating (growth-arrested) cells. Supported by an increased NAD/NADH ratio, we observed increased serine de novo synthesis and increased serine catabolism to formate. Consequently, inhibition of serine de novo synthesis using the competitive PHGDH-inhibitor BI-4916 or direct inhibition of mitochondrial 1C metabolism reduced cancer cell migration. Using an orthotopic breast cancer model, we show that sole inhibition of mitochondrial serine catabolism does not affect primary tumor growth but strongly inhibits pulmonary metastasis. We conclude that mitochondrial 1C metabolism, despite being dispensable for proliferative capacities, confers an advantage to cancer cells by supporting their motility potential. Our results improve our understanding of 1C metabolism and of metabolic determinants that support the process of cancer cell migration and metastasis.

Growing evidence indicates that Type 2 Diabetes (T2D) is associated with an increased risk of developing Parkinsons disease through shared disease mechanisms. Studies show that insulin resistance, which is the driving pathophysiological mechanism of T2D plays a major role in neurodegeneration by impairing neuronal functionality, metabolism, and survival. To investigate insulin resistance caused pathological changes in the human midbrain, which could predispose a healthy midbrain to PD development, we exposed iPSC-derived human midbrain organoids from healthy individuals to either high insulin concentrations, promoting insulin resistance, or to more physiological insulin concentrations restoring insulin signalling function. We combined experimental methods with metabolic modelling to identify the most insulin resistance-dependent pathogenic processes. We demonstrate that insulin resistance compromises organoid metabolic efficiency, leading to increased levels of oxidative stress. Additionally, insulin-resistant midbrain organoids showed decreased neural activity and reduced amount of dopaminergic neurons, highlighting insulin resistance as a significant target in PD prevention.

Abstract Inflammatory bowel diseases (IBD) are characterized by chronic relapsing inflammation of the gastrointestinal tract. While the molecular causality between endoplasmic reticulum (ER) stress and intestinal inflammation is widely accepted, the metabolic consequences of chronic ER-stress on the pathophysiology of IBD remain unclear. By using in vitro , ex vivo , in vivo mouse models and patient datasets, we identified a distinct polarisation of the mitochondrial one-carbon (1C) metabolism and a fine-tuning of the amino acid uptake in intestinal epithelial cells tailored to support GSH and NADPH metabolism upon chronic ER-stress. This metabolic phenotype strongly correlates with IBD severity and therapy-response. Mechanistically, we uncover that both chronic ER-stress and serine limitation disrupt cGAS/STING-signalling, impairing the epithelial response against viral and bacterial infection, fuelling experimental enteritis. Consequently, antioxidant treatment restores STING function and virus control. Collectively, our data highlight the importance of the plasticity of serine metabolism to allow proper cGAS/STING-signalling and innate immune responses upon chronic inflammation in the gut.

ABSTRACT Metabolic rewiring is essential to enable cancer onset and progression. One important metabolic pathway that is often hijacked by cancer cells is the one-carbon cycle, in which the third carbon of serine is oxidized to formate. We have previously shown that formate production in cancer cells often exceeds the anabolic demand, resulting in formate overflow. Furthermore, we observed that high extracellular formate promotes the in vitro invasiveness of glioblastoma (GBM) cells. However, additional data supporting this in vitro observation and mechanistic details remained elusive so far. In the present study, we now demonstrate that inhibition of formate overflow results in a decreased invasiveness of GBM cells ex vivo and in vivo . Additionally, we observed that exposure to exogeneous formate can induce a transiently stable pro-invasive phenotype that results in increased metastasis formation in vivo . All in all, these results suggest that a local formate increase within the tumor microenvironment may be one factor that can promote cancer cell motility and dissemination. Mechanistically, we uncover a previously undescribed interplay where formate acts as a trigger to alter fatty acid metabolism and matrix metalloproteinase (MMP) activity which in turn impacts cancer cell invasiveness. We thus highlight the role of formate as a pro-invasive metabolite. Gaining a deeper understanding of formate overflow and how it promotes invasion in cancer, may open new therapeutic opportunities to prevent cancer cell dissmination.