How adult tissue stem and niche cells respond to the nutritional state of an organism is not well understood. Here we find that Paneth cells, a key constituent of the mammalian intestinal stem-cell (ISC) niche, augment stem-cell function in response to calorie restriction. Calorie restriction acts by reducing mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) signalling in Paneth cells, and the ISC-enhancing effects of calorie restriction can be mimicked by rapamycin. Calorie intake regulates mTORC1 in Paneth cells, but not ISCs, and forced activation of mTORC1 in Paneth cells during calorie restriction abolishes the ISC-augmenting effects of the niche. Finally, increased expression of bone stromal antigen 1 (Bst1) in Paneth cells—an ectoenzyme that produces the paracrine factor cyclic ADP ribose—mediates the effects of calorie restriction and rapamycin on ISC function. Our findings establish that mTORC1 non-cell-autonomously regulates stem-cell self-renewal, and highlight a significant role of the mammalian intestinal niche in coupling stem-cell function to organismal physiology. In the mouse intestine, calorie restriction enhances the regenerative capacity of intestinal stem cells by reducing mTORC1 signalling in their Paneth cell niche. Reducing caloric intake while maintaining adequate nutrition extends lifespan in diverse organisms, possibly by preserving stem- and progenitor-cell function. David Sabatini and colleagues show that in the mouse intestine, caloric restriction leads to an increased number of intestinal stem cells (ISC) with enhanced regenerative capacity. The effects are mediated by modulation of mTOR signalling in Paneth cells, important components of the ISC niche. Caloric restriction leads to the expression of the Bst1 gene in Paneth cells and subsequent secretion of cyclic ADP ribose, which acts on ISCs in a paracrine manner. These findings demonstrate a link between the stem-cell function and the nutritional status of an organism, and raise the possibility that mTORC1 inhibitors or Bst1 mimetics may have therapeutic application in improving intestinal regeneration and function.

Abstract Metastases arise from a subset of cancer cells that disseminate from the primary tumor; however, the factors that contribute to proliferation of cancer cells in a secondary site are incompletely understood. The ability of cancer cells to thrive in a new tissue site is influenced by genetic and epigenetic changes that are important for disease initiation and progression, but these factors alone do not predict if and where cancers metastasize. Specific cancer types metastasize to consistent subsets of tissues, suggesting that factors associated with the primary tumor influence the tissue environments where cancers can grow. Using pancreatic cancer as a model, we find that primary and metastatic tumors share many metabolic similarities and that the tumor initiating capacity and proliferation of both primary- and metastasis-derived cells is favored in the primary site relative to the metastatic site. Moreover, propagating lung or liver metastatic cells in vivo to enrich for tumor cells adapted to grow in the lung or the liver does not enhance their relative ability to form large tumors in those sites, change their preference to grow in the primary site, nor stably alter some aspects of their metabolism relative to primary tumors. We also analyzed primary liver and lung cancer cells and find that these cells also exhibit a preference to grow in their primary site relative to metastatic sites. Together, these data suggest that the cancer tissue-of-origin influences the metabolism of both primary and metastatic tumors and may impact whether cancer cells can thrive in a metastatic site.

Abstract Aging is accompanied by multiple molecular changes that contribute to aging-associated pathologies, such as accumulation of cellular damage and mitochondrial dysfunction. Tissue metabolism can also change with age, in part because mitochondria are central to cellular metabolism. Moreover, the co-factor NAD + , which is reported to decline across multiple tissue types during aging, plays a central role in metabolic pathways such as glycolysis, the tricarboxylic acid cycle, and the oxidative synthesis of nucleotides, amino acids, and lipids. To further characterize how tissue metabolism changes with age, we intravenously infused [U- 13 C]-glucose into young and old C57BL/6J, WSB/EiJ, and Diversity Outbred mice to trace glucose fate into downstream metabolites within plasma, liver, gastrocnemius muscle, and brain tissues. We found that glucose incorporation into central carbon and amino acid metabolism was robust during healthy aging across these different strains of mice. We also observed that levels of NAD + , NADH, and the NAD + /NADH ratio were unchanged in these tissues with healthy aging. However, aging tissues, particularly brain, exhibited evidence of up-regulated fatty acid and sphingolipid metabolism reactions that regenerate NAD + from NADH. Because mitochondrial respiration, a major source of NAD + regeneration, is reported to decline with age, our data supports a model where NAD + -generating lipid metabolism reactions may buffer against changes in NAD + /NADH during healthy aging.

The self-renewal of intestinal stem cell is controlled by Wingless/Wnt b-catenin signaling both in Drosophila and mammals. Axin is a rate-limiting factor in wingless signaling. Hence, its regulation is essential. Iduna is an evolutionarily conserved ubiquitin E3 ligase that has been identified as a critical regulator of degradation of ADP-ribosylated Axin and thus of Wnt b-catenin signaling. However, its physiological significance remains to be demonstrated. Here, we generated loss-of-function mutants of Iduna and investigated its physiological role in the Drosophila midgut. Genetic depletion of Iduna causes the accumulation of both Tankyrase and Axin in Drosophila cells. Increase in Axin protein in enterocytes non-autonomously enhanced stem cell divisions. Enterocytes secreted Unpaired and thereby stimulated the activity of the JAK-STAT pathway in intestinal stem cells. A decrease in Axin gene expression suppressed both the over-proliferation of stem cells and restored their numbers to normal levels in Iduna mutants. These findings suggest that Iduna-mediated regulation of Axin proteolysis is essential to maintain tissue homeostasis in the Drosophila midgut.

Abstract The metastasis of cancer to the brain is a major contributor to patient morbidity and mortality. Prior work suggests that there is therapeutic potential in targeting metabolic processes within brain metastatic cancer, however how best to identify novel targets and select patient populations remains unclear. In this study, we determine what nutrients are available to breast cancer cells in the brain and how those nutrients are used. We also engineer breast cancer cells that are auxotrophic for specific nutrients and assess how this impacts tumor growth in the brain using various approaches. These methodologies include direct implantation into the brain and introduction into the circulation to evaluate tumor formation as brain metastases. Unexpectedly, we find that no single approach, including assessment of brain nutrient availability, tumor biosynthetic activity, and evaluation of genetic dependencies using in vivo CRISPR screens reliably predicts metabolic dependencies that broadly extend across models of breast cancer brain metastasis. Our findings underscore the necessity of a holistic approach in considering how best to identify and prioritize new targets for treating metastatic cancer. Citation Format: Keene L. Abbott, Sonu Subudhi, Raphael Ferreira, Yetiş Gültekin, Sophie C. Steinbuch, Sophie E. Honeder, Ashwin S Kumar, Michelle Wu, Diya Ramesh, Jacob Hansen, Lisa M. Riedmayr, Mark Duquette, Ahmed Ali, Nicole Henning, Sharanya Sivanand, Tenzin Kunchok, Millenia Waite, Brian T. Do, Virginia Spanoudaki, Francisco J. Sánchez-Rivera, George M. Church, Rakesh K Jain, Matthew G. Vander Heiden. Assessment of metabolic vulnerabilities of breast cancer brain metastasis [abstract]. In: Proceedings of the AACR Special Conference in Cancer Research: Expanding and Translating Cancer Synthetic Vulnerabilities; 2024 Jun 10-13; Montreal, Quebec, Canada. Philadelphia (PA): AACR; Mol Cancer Ther 2024;23(6 Suppl):Abstract nr A007.