Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) has a poor prognosis, and new strategies for prevention and treatment are urgently needed. We previously reported that histone H4 acetylation is elevated in pancreatic acinar cells harboring

Abstract Understanding metabolic dysregulation in different disease settings is vital for the safe and effective incorporation of metabolism-targeted therapeutics in the clinic. Here, using transcriptomic data for 10,704 tumor and normal samples from The Cancer Genome Atlas, across 26 disease sites, we present a novel bioinformatics pipeline that distinguishes tumor from normal tissues, based on differential gene expression for 114 metabolic pathways. We confirm pathway dysregulation in separate patient populations, demonstrating the robustness of our approach. Bootstrapping simulations were then applied to assess the biological significance of these alterations. We provide distinct examples of the types of analysis that can be accomplished with this tool to understand cancer specific metabolic dysregulation, highlighting novel pathways of interest, and patterns of metabolic flux, in both common and rare disease sites. Further, we show that Master Metabolic Transcriptional Regulators explain why metabolic differences exist, can segregate patient populations, and predict responders to different metabolism-targeted therapeutics.

Abstract Tumors frequently exhibit aberrant glycosylation, which can impact cancer progression and therapeutic responses. The hexosamine biosynthesis pathway (HBP) produces uridine diphosphate N-acetylglucosamine (UDP-GlcNAc), a major substrate for glycosylation in the cell. Prior studies have identified the HBP as a promising therapeutic target in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA). The HBP requires both glucose and glutamine for its initiation. The PDA tumor microenvironment is nutrient poor, however, prompting us to investigate how nutrient limitation impacts hexosamine synthesis. Here, we identify that glutamine limitation in PDA cells suppresses de novo hexosamine synthesis but results in increased free GlcNAc abundance. GlcNAc salvage via N-acetylglucosamine kinase (NAGK) is engaged to feed UDP-GlcNAc pools. NAGK expression is elevated in human PDA, and NAGK deletion from PDA cells impairs tumor growth in mice. Together, these data identify an important role for NAGK-dependent hexosamine salvage in supporting PDA tumor growth.

ABSTRACT Acetyl-CoA is a central metabolite used for lipid synthesis in the cytosol and histone acetylation in the nucleus, among other pathways. The two major precursors to acetyl-CoA in the nuclear-cytoplasmic compartment are citrate and acetate, which are processed to acetyl-CoA by ATP-citrate lyase (ACLY) and acyl-CoA synthetase short-chain 2 (ACSS2), respectively. While some evidence has suggested the existence of additional routes to nuclear-cytosolic acetyl-CoA, such pathways remain poorly defined. To investigate this, we generated cancer cell lines lacking both ACLY and ACSS2. Unexpectedly, and in contrast to observations in fibroblasts, ACLY and ACSS2 double knockout (DKO) cancer cells remain viable and proliferate, maintain pools of cytosolic acetyl-CoA, and are competent to acetylate proteins in both cytosolic and nuclear compartments. Using stable isotope tracing, we show that both glucose and fatty acids feed acetyl-CoA pools and histone acetylation in DKO cells. Moreover, we provide evidence for the carnitine shuttle and carnitine acetyltransferase (CrAT) as a substantial pathway to transfer two-carbon units from mitochondria to cytosol independent of ACLY. Indeed, in the absence of ACLY, glucose can feed fatty acid synthesis in a carnitine responsive and CrAT-dependent manner. This work defines a carnitine-facilitated route to produce nuclear-cytosolic acetyl-CoA, shedding light on the intricate regulation and compartmentalization of acetyl-CoA metabolism

ATP-citrate lyase (ACLY) links carbohydrate and lipid metabolism and provides nucleocytosolic acetyl-CoA necessary for protein acetylation. ACLY has two major splice isoforms: the full-length canonical "long" isoform and an uncharacterized "short" isoform in which exon 14 is spliced out. Exon 14 encodes 10 amino acids within a disordered region of the protein and includes at least 1 site that is dynamically phosphorylated. Both isoforms are expressed in healthy tissues to varying degrees. Analysis of human transcriptomic data revealed that the Percent Spliced In (PSI) of exon 14, i.e., the proportion of long isoform, is increased in several cancers and correlated with poorer overall survival in a pan-cancer analysis, though not in individual tumor types, which prompted us to explore potential biochemical and functional differences between ACLY isoforms.Here, we show that there are no discernible differences in enzymatic activity or stability between isoforms or phosphomutants of ACLY in vitro. Similarly, both isoforms and phosphomutants were able to rescue ACLY functions, including fatty acid synthesis and bulk histone acetylation, when re-expressed in Acly knockout cells. Deletion of Acly exon 14 in mice did not overtly impact development or metabolic physiology, nor did it attenuate tumor burden in a genetic model of intestinal cancer.Notably, expression of epithelial splicing regulatory protein 1 (ESRP1) is highly correlated with ACLY PSI. We report that ACLY splicing is regulated by ESRP1. In turn, both ESRP1 expression and ACLY PSI are correlated with specific immune signatures in tumors. Despite these intriguing patterns of ACLY splicing in healthy and cancer tissues, functional differences between the isoforms remain elusive.

T-cell Acute Lymphoblastic Leukemia (T-ALL) is a hematological malignancy in need of novel therapeutic approaches. Here, we identify the ATP-citrate lyase ACLY as a novel therapeutic target in T-ALL. Our results show that ACLY is overexpressed in T-ALL, and its expression correlates with NOTCH1 activity. To test the effects of ACLY in leukemia progression and the response to NOTCH1 inhibition, we developed an isogenic model of NOTCH1-induced Acly conditional knockout leukemia. Importantly, we observed intrinsic antileukemic effects upon loss of ACLY, which further synergized with NOTCH1 inhibition in vivo . Gene expression profiling analyses showed that the transcriptional signature of ACLY loss very significantly correlates with the signature of NOTCH1 inhibition in vivo , with significantly downregulated pathways related to oxidative phosphorylation, electron transport chain, ribosomal biogenesis and nucleosome biology. Consistently, metabolomic profiling upon ACLY loss revealed a metabolic crisis with accumulation of nucleotide intermediates and reduced levels of several amino acids. Overall, our results identify a link between NOTCH1 and ACLY and unveil ACLY as a novel promising target for T-ALL treatment.

Understanding the levels of metabolic dysregulation in different disease settings is vital for the safe and effective incorporation of metabolism-targeted therapeutics in the clinic. Using transcriptomic data from 10,704 tumor and normal samples from The Cancer Genome Atlas, across 26 disease sites, we developed a novel bioinformatics pipeline that distinguishes tumor from normal tissues, based on differential gene expression for 114 metabolic pathways. This pathway dysregulation was confirmed in separate patient populations, further demonstrating the robustness of this approach. A bootstrapping simulation was then applied to assess whether these alterations were biologically meaningful, rather than expected by chance. We provide distinct examples of the types of analysis that can be accomplished with this tool to understand cancer specific metabolic dysregulation, highlighting novel pathways of interest in both common and rare disease sites. Utilizing a pathway mapping approach to understand patterns of metabolic flux, differential drug sensitivity, can accurately be predicted. Further, the identification of Master Metabolic Transcriptional Regulators, whose expression was highly correlated with pathway gene expression, explains why metabolic differences exist in different disease sites. We demonstrate these also have the ability to segregate patient populations and predict responders to different metabolism-targeted therapeutics.

Abstract NCOR2 is frequently and significantly mutated in late stage androgen deprivation therapy resistant prostate cancer (ADT-RPCa). NCOR2 has been characterized as a transcriptional corepressor and has mechanistic links to DNA methylation, but its global functions and overall contributions to PCa progression remain enigmatic. In the current study, we utilize immunohistochemical staining of samples from over 700 PCa patients and reveal associations of reduced NCOR2 expression with correlates of aggressive primary PCa and recurrence in patients who received adjuvant androgen deprivation therapy. We mapped the dihydrotestosterone (DHT) dependent and independent effects of NCOR2 on the transcriptome, cistrome and DNA methylome in androgen sensitive (AS) and ADT-RPCa cells using the isogenic LNCaP and LNCaP-C4-2 (C4-2) cell models. Transcriptional profiling identified androgen dependent and independent regulatory roles of NCOR2, the latter of which was enhanced in the ADT-RPCa state and included neuronal differentiation. Interestingly, reduced expression of NCOR2 resulted in a striking global DNA hypermethylation pattern that significantly enriched at enhancer regions. ChIP-seq revealed that NCOR2 was more clearly associated with promoters in AS LNCaP cells, which was modestly enhanced by DHT treatment. However, in ADT-RPCa C4-2 cells, the NCOR2 cistrome was larger and more distal. Motif analyses and integration of large-scale public cistrome data revealed strong enrichment for FOXA1 in mediating NCOR2 binding, and included additional factors such as AR, E2F, TET2, MED1 and MBD2. Utilizing the CWR22 xenograft model, we demonstrate a direct role for NCOR2 in PCa progression as reduced NCOR2 expression attenuated the impact of ADT, and significantly accelerated recurrence of disease. Transcriptomic analyses in recurrent CWR22 tumors indicated NCOR2-dependent gene expression profiles during ADT that were enriched for neuroendocrine associated genes and also associated with worse survival in human patients with ADT-RPCa. DNA methylation profiles in CWR22 tumors with reduced NCOR2 expression recapitulated the hypermethylation observed in vitro , and further revealed that hypermethylation patterns are commonly associated with ADT-RPCa disease, which was also confirmed in human samples. These studies reveal robust roles for NCOR2 in regulating the PCa transcriptome and epigenome and underscore recent mutational studies linking NCOR2 loss of function to PCa disease progression.