Aerobic glycolysis, or preferential fermentation of glucose-derived pyruvate to lactate despite available oxygen, is associated with proliferation across many organisms and conditions. To better understand that association, we examined the metabolic consequence of activating the pyruvate dehydrogenase complex (PDH) to increase pyruvate oxidation at the expense of fermentation. We find that increasing PDH activity impairs cell proliferation by reducing the NAD+/NADH ratio. This change in NAD+/NADH is caused by increased mitochondrial membrane potential that impairs mitochondrial electron transport and NAD+ regeneration. Uncoupling respiration from ATP synthesis or increasing ATP hydrolysis restores NAD+/NADH homeostasis and proliferation even when glucose oxidation is increased. These data suggest that when demand for NAD+ to support oxidation reactions exceeds the rate of ATP turnover in cells, NAD+ regeneration by mitochondrial respiration becomes constrained, promoting fermentation, despite available oxygen. This argues that cells engage in aerobic glycolysis when the demand for NAD+ is in excess of the demand for ATP.

Abstract Aerobic glycolysis, or preferential fermentation of glucose-derived pyruvate to lactate despite available oxygen, is a hallmark of proliferative metabolism that is observed across many organisms and conditions. To better understand why aerobic glycolysis is associated with cell proliferation, we examined the metabolic consequence of activating the pyruvate dehydrogenase complex (PDH) to increase mitochondrial pyruvate oxidation at the expense of fermentation. We find that increasing PDH activity impairs cell proliferation by reducing the nicotinamide adenine dinucleotide cofactor ratio (NAD+/NADH). This change in NAD+/NADH ratio is caused by an increase in mitochondrial membrane potential that impairs mitochondrial electron transport and NAD+ regeneration. Uncoupling mitochondrial respiration from ATP synthesis or increasing ATP hydrolysis restores NAD+/NADH homeostasis and proliferation even when glucose oxidation is increased. These data suggest that when the demand for NAD+ to support oxidation reactions exceeds the demand for ATP consumption in cells, NAD+ regeneration by mitochondrial respiration becomes constrained, promoting fermentation despite available oxygen. This argues that cells engage in aerobic glycolysis when the cellular demand for NAD+ is in excess of the cellular demand for ATP.

SUMMARY Sirtuin 6 (SIRT6) is a deacylase and mono-ADP ribosyl transferase (mADPr) enzyme involved in multiple cellular pathways implicated in the regulation of aging and metabolism. Targeted sequencing identified a SIRT6 allele containing two linked substitutions (N308K/A313S) as enriched in Ashkenazi Jewish (AJ) centenarians as compared to AJ control individuals. Characterization of this SIRT6 (centSIRT6) allele demonstrated it to be a stronger suppressor of LINE1 retrotransposons, confer enhanced stimulation of DNA double strand break repair, and more robust cancer cell killing compared to the wild type. Surprisingly, centSIRT6 displayed weaker deacetylase activity, but stronger mADPr activity, over a range of NAD + concentrations and substrates. Additionally, centSIRT6 displayed a stronger interaction with Lamin A/C (LMNA), which correlated with enhanced ribosylation of LMNA. Our results suggest that enhanced SIRT6 function contributes to human longevity by improving genome maintenance via increased mADPr activity and enhanced interaction with LMNA.

Abstract Immune checkpoint blockade (ICB) enhances tumor-reactive T cell responses against cancer, leading to long-term tumor control and survival in a fraction of patients. Given the increasingly recognized complexity of T cell differentiation that occurs in response to chronic antigen stimulation, it remains unclear precisely which T cell differentiation states are critical for the response to ICB, as well as the anatomic sites at which ICB-mediated reinvigoration of these T cells occurs. We used paired single-cell RNA and T cell receptor (TCR) sequencing to profile endogenous, tumor-reactive CD8 + T cells isolated from tumors, tumor-draining lymph nodes, and spleens of mice treated with ICB. We identified an intermediate-exhausted population of T cells in the spleen which underwent the greatest expansion in response to ICB and gave rise to the majority of tumor-infiltrating clonotypes. Increasing concentrations of antigen in the spleen perturbed the differentiation of this phenotype towards a divergent exhausted_KLR state, resulting in reduced numbers of tumor-infiltrating T cells and blunted ICB efficacy. Likewise, an analogous population of exhausted_KLR CD8 + T cells in matched human tumor and blood samples and exhibited diminished tumor-trafficking ability. These data demonstrate that the spleen is a critical anatomic site for coordinating the differentiation of tumor-infiltrating clonotypes and their expansion in response to ICB.

Abstract Human tumors are diverse in their natural history and response to treatment, which in part results from genetic and transcriptomic heterogeneity. In clinical practice, single-site needle biopsies are used to sample this diversity, but cancer biomarkers may be confounded by spatiogenomic heterogeneity within individual tumors. Here we investigate clonally expressed genes as a solution to the sampling bias problem by analyzing multiregion whole-exome and RNA sequencing data for 450 tumor regions from 184 patients with lung adenocarcinoma in the TRACERx study. We prospectively validate the survival association of a clonal expression biomarker, Outcome Risk Associated Clonal Lung Expression (ORACLE), in combination with clinicopathological risk factors, and in stage I disease. We expand our mechanistic understanding, discovering that clonal transcriptional signals are detectable before tissue invasion, act as a molecular fingerprint for lethal metastatic clones and predict chemotherapy sensitivity. Lastly, we find that ORACLE summarizes the prognostic information encoded by genetic evolutionary measures, including chromosomal instability, as a concise 23-transcript assay.