Long-chain fatty acid (LCFA) oxidation has been shown to play an important role in interleukin-4 (IL-4)-mediated macrophage polarization (M(IL-4)). However, many of these conclusions are based on the inhibition of carnitine palmitoyltransferase-1 with high concentrations of etomoxir that far exceed what is required to inhibit enzyme activity (EC90 < 3 μM). We employ genetic and pharmacologic models to demonstrate that LCFA oxidation is largely dispensable for IL-4-driven polarization. Unexpectedly, high concentrations of etomoxir retained the ability to disrupt M(IL-4) polarization in the absence of Cpt1a or Cpt2 expression. Although excess etomoxir inhibits the adenine nucleotide translocase, oxidative phosphorylation is surprisingly dispensable for M(IL-4). Instead, the block in polarization was traced to depletion of intracellular free coenzyme A (CoA), likely resulting from conversion of the pro-drug etomoxir into active etomoxiryl CoA. These studies help explain the effect(s) of excess etomoxir on immune cells and reveal an unappreciated role for CoA metabolism in macrophage polarization.

ABSTRACT Oxidative phosphorylation and glycolysis are the dominant ATP-generating pathways in mammalian metabolism. The balance between these two pathways is often shifted to execute cell-specific functions in response to stimuli that promote activation, proliferation, or differentiation. However, measurement of these metabolic switches has remained mostly qualitative, making it difficult to discriminate between healthy, physiological changes in energy transduction or compensatory responses due to metabolic dysfunction. We therefore developed a broadly applicable method to calculate ATP production rates from oxidative phosphorylation and glycolysis using Seahorse XF Analyzer data. We quantified the bioenergetic changes observed during macrophage polarization as well as cancer cell adaptation to in vitro culture conditions. Additionally, we detected substantive changes in ATP utilization upon neuronal depolarization and T cell receptor activation that are not evident from steady-state ATP measurements. This method generates a single readout that allows the direct comparison of ATP produced from oxidative phosphorylation and glycolysis in live cells. Additionally, the manuscript provides a framework for tailoring the calculations to specific cell systems or experimental conditions.

ABSTRACT Pro-inflammatory macrophage activation is a hallmark example of how mitochondria serve as signaling organelles. Upon classical macrophage activation, oxidative phosphorylation sharply decreases and mitochondria are repurposed to accumulate signals that amplify effector function. However, evidence is conflicting as to whether this collapse in respiration is essential or largely dispensable. Here we systematically examine this question and show that reduced oxidative phosphorylation is not required for pro-inflammatory macrophage activation. Only stimuli that engage both MyD88- and TRIF-linked pathways decrease mitochondrial respiration, and different pro-inflammatory stimuli have varying effects on other bioenergetic parameters. Additionally, pharmacologic and genetic models of electron transport chain inhibition show no direct link between respiration and pro-inflammatory activation. Studies in mouse and human macrophages also reveal accumulation of the signaling metabolites succinate and itaconate can occur independently of characteristic breaks in the TCA cycle. Finally, in vivo activation of peritoneal macrophages further demonstrates that a pro-inflammatory response can be elicited without reductions to oxidative phosphorylation. Taken together, the results suggest the conventional model of mitochondrial reprogramming upon macrophage activation is incomplete.

Glioblastoma (GBM) metabolism has traditionally been characterized by a dependence on aerobic glycolysis, prompting use of the ketogenic diet as a potential therapy. We observed growth-promoting effects on U87 GBM of both ketone body and fatty acid (FA) supplementation under physiological glucose conditions. An in vivo assessment of the unrestricted ketogenic diet surprisingly resulted in increased tumor growth and decreased animal survival. These effects are abrogated by FAO inhibition using knockdown of carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1). Primary patient GBM cultures revealed significant utilization of FAO regardless of tumorigenic mutational status and decreased proliferation, increased apoptosis, and elevated mitochondrial ROS production with CPT1 inhibition. Metabolomic tracing with 13C-labeled fatty acids showed significant FA utilization within the TCA cycle, indicating that FAO is used for both bioenergetics and production of key intermediates. These data demonstrate important roles for FA and ketone body metabolism that could serve to improve targeted therapies in GBM.