Reprogrammed glucose metabolism as a result of increased glycolysis and glucose uptake is a hallmark of cancer. Here we show that cancer cells can suppress glucose uptake by non-tumour cells in the premetastatic niche, by secreting vesicles that carry high levels of the miR-122 microRNA. High miR-122 levels in the circulation have been associated with metastasis in breast cancer patients, and we show that cancer-cell-secreted miR-122 facilitates metastasis by increasing nutrient availability in the premetastatic niche. Mechanistically, cancer-cell-derived miR-122 suppresses glucose uptake by niche cells in vitro and in vivo by downregulating the glycolytic enzyme pyruvate kinase. In vivo inhibition of miR-122 restores glucose uptake in distant organs, including brain and lungs, and decreases the incidence of metastasis. These results demonstrate that, by modifying glucose utilization by recipient premetastatic niche cells, cancer-derived extracellular miR-122 is able to reprogram systemic energy metabolism to facilitate disease progression.

Nutrition exerts considerable effects on health, and dietary interventions are commonly used to treat diseases of metabolic aetiology. Although cancer has a substantial metabolic component1, the principles that define whether nutrition may be used to influence outcomes of cancer are unclear2. Nevertheless, it is established that targeting metabolic pathways with pharmacological agents or radiation can sometimes lead to controlled therapeutic outcomes. By contrast, whether specific dietary interventions can influence the metabolic pathways that are targeted in standard cancer therapies is not known. Here we show that dietary restriction of the essential amino acid methionine—the reduction of which has anti-ageing and anti-obesogenic properties—influences cancer outcome, through controlled and reproducible changes to one-carbon metabolism. This pathway metabolizes methionine and is the target of a variety of cancer interventions that involve chemotherapy and radiation. Methionine restriction produced therapeutic responses in two patient-derived xenograft models of chemotherapy-resistant RAS-driven colorectal cancer, and in a mouse model of autochthonous soft-tissue sarcoma driven by a G12D mutation in KRAS and knockout of p53 (KrasG12D/+;Trp53−/−) that is resistant to radiation. Metabolomics revealed that the therapeutic mechanisms operate via tumour-cell-autonomous effects on flux through one-carbon metabolism that affects redox and nucleotide metabolism—and thus interact with the antimetabolite or radiation intervention. In a controlled and tolerated feeding study in humans, methionine restriction resulted in effects on systemic metabolism that were similar to those obtained in mice. These findings provide evidence that a targeted dietary manipulation can specifically affect tumour-cell metabolism to mediate broad aspects of cancer outcome. In two patient-derived xenograft models of colorectal cancer and a mouse model of autochthonous soft-tissue sarcoma, dietary restriction of methionine influences the outcome of cancer and interacts with antimetabolite and radiation therapies, through effects on one-carbon metabolism.

Acetate is a major nutrient that supports acetyl-coenzyme A (Ac-CoA) metabolism and thus lipogenesis and protein acetylation. However, its source is unclear. Here, we report that pyruvate, the end product of glycolysis and key node in central carbon metabolism, quantitatively generates acetate in mammals. This phenomenon becomes more pronounced in the context of nutritional excess, such as during hyperactive glucose metabolism. Conversion of pyruvate to acetate occurs through two mechanisms: (1) coupling to reactive oxygen species (ROS) and (2) neomorphic enzyme activity from keto acid dehydrogenases that enable function as pyruvate decarboxylases. Further, we demonstrate that de novo acetate production sustains Ac-CoA pools and cell proliferation in limited metabolic environments, such as during mitochondrial dysfunction or ATP citrate lyase (ACLY) deficiency. By virtue of de novo acetate production being coupled to mitochondrial metabolism, there are numerous possible regulatory mechanisms and links to pathophysiology.

Poorly organized tumour vasculature often results in areas of limited nutrient supply and hypoxia. Despite our understanding of solid tumour responses to hypoxia, how nutrient deprivation regionally affects tumour growth and therapeutic response is poorly understood. Here, we show that the core region of solid tumours displayed glutamine deficiency compared with other amino acids. Low glutamine in tumour core regions led to dramatic histone hypermethylation due to decreased α-ketoglutarate levels, a key cofactor for the Jumonji-domain-containing histone demethylases. Using patient-derived (V600E)BRAF melanoma cells, we found that low-glutamine-induced histone hypermethylation resulted in cancer cell dedifferentiation and resistance to BRAF inhibitor treatment, which was largely mediated by methylation on H3K27, as knockdown of the H3K27-specific demethylase KDM6B and the methyltransferase EZH2 respectively reproduced and attenuated the low-glutamine effects in vitro and in vivo. Thus, intratumoral regional variation in the nutritional microenvironment contributes to tumour heterogeneity and therapeutic response.

Cell proliferation can be dependent on the non-essential amino acid serine, and dietary restriction of serine inhibits tumor growth, but the underlying mechanisms remain incompletely understood. Using a metabolomics approach, we found that serine deprivation most predominantly impacts cellular acylcarnitine levels, a signature of altered mitochondrial function. Fuel utilization from fatty acid, glucose, and glutamine is affected by serine deprivation, as are mitochondrial morphological dynamics leading to increased fragmentation. Interestingly, these changes can occur independently of nucleotide and redox metabolism, two known major functions of serine. A lipidomics analysis revealed an overall decrease in ceramide levels. Importantly, supplementation of the lipid component of bovine serum or C16:0-ceramide could partially restore defects in cell proliferation and mitochondrial fragmentation induced by serine deprivation. Together, these data define a role for serine in supporting mitochondrial function and cell proliferation through ceramide metabolism.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is one of the most lethal human cancers. It thrives in a nutrient-poor environment; however, the mechanisms by which PDAC cells undergo metabolic reprogramming to adapt to metabolic stress are still poorly understood. Here, we show that microRNA-135 is significantly increased in PDAC patient samples compared to adjacent normal tissue. Mechanistically, miR-135 accumulates specifically in response to glutamine deprivation and requires ROS-dependent activation of mutant p53, which directly promotes miR-135 expression. Functionally, we found miR-135 targets phosphofructokinase-1 (PFK1) and inhibits aerobic glycolysis, thereby promoting the utilization of glucose to support the tricarboxylic acid (TCA) cycle. Consistently, miR-135 silencing sensitizes PDAC cells to glutamine deprivation and represses tumor growth in vivo. Together, these results identify a mechanism used by PDAC cells to survive the nutrient-poor tumor microenvironment, and also provide insight regarding the role of mutant p53 and miRNA in pancreatic cancer cell adaptation to metabolic stresses.

V600 BRAF mutations drive approximately 50% of metastatic melanoma which can be therapeutically targeted by BRAF inhibitors (BRAFi) and, based on resistance mechanisms, the combination of BRAF and MEK inhibitors (BRAFi + MEKi). Although the combination therapy has been shown to provide superior clinical benefits, acquired resistance is still prevalent and limits the overall survival benefits. Recent work has shown that oncogenic changes can lead to alterations in tumor cell metabolism rendering cells addicted to nutrients, such as the amino acid glutamine. Here, we evaluated whether melanoma cells with acquired resistance display glutamine dependence and whether glutamine metabolism can be a potential molecular target to treat resistant cells. Isogenic BRAFi sensitive parental V600 BRAF mutant melanoma cell lines and resistant (derived by chronic treatment with vemurafenib) sub-lines were used to assess differences in the glutamine uptake and sensitivity to glutamine deprivation. To evaluate a broader range of resistance mechanisms, isogenic pairs where the sub-lines were resistant to BRAFi + MEKi were also studied. Since resistant cells demonstrated increased sensitivity to glutamine deficiency, we used glutaminase inhibitors BPTES [bis-2-(5 phenylacetamido-1, 2, 4-thiadiazol-2-yl) ethyl sulfide] and L–L-DON (6-Diazo-5-oxo-l-norleucine) to treat MAPK pathway inhibitor (MAPKi) resistant cell populations both in vitro and in vivo. We demonstrated that MAPKi-acquired resistant cells uptook greater amounts of glutamine and have increased sensitivity to glutamine deprivation than their MAPKi-sensitive counterparts. In addition, it was found that both BPTES and L-DON were more effective at decreasing cell survival of MAPKi-resistant sub-lines than parental cell populations in vitro. We also showed that mutant NRAS was critical for glutamine addiction in mutant NRAS driven resistance. When tested in vivo, we found that xenografts derived from resistant cells were more sensitive to BPTES or L-DON treatment than those derived from parental cells. Our study is a proof-of-concept for the potential of targeting glutamine metabolism as an alternative strategy to suppress acquired MAPKi-resistance in melanoma.

Cancer cells depend on glutamine to sustain their increased proliferation and manage oxidative stress, yet glutamine is often depleted at tumor sites owing to excessive cellular consumption and poor vascularization. We have previously reported that p53 protein, although a well-known tumor suppressor, can contribute to cancer cell survival and adaptation to low-glutamine conditions. However, the TP53 gene is frequently mutated in tumors, and the role of mutant p53 (mutp53) in response to metabolic stress remains unclear. Here, we demonstrate that tumor-associated mutp53 promotes cancer cell survival upon glutamine deprivation both in vitro and in vivo. Interestingly, cancer cells expressing mutp53 proteins are more resistant to glutamine deprivation than cells with wild-type p53. Depletion of endogenous mutp53 protein in human lymphoma cells leads to cell sensitivity to glutamine withdrawal, whereas expression of mutp53 in p53 null cells results in resistance to glutamine deprivation. Furthermore, we found that mutp53 proteins hyper-transactivate p53-target gene CDKN1A upon glutamine deprivation, thus triggering cell cycle arrest and promoting cell survival. Together, our results reveal an unidentified mechanism by which mutp53 confers oncogenic functions by promoting cancer cell adaptation to metabolic stress.

Glutamine is an essential nutrient for cancer cell survival and proliferation. Enhanced utilization of glutamine often depletes its local supply, yet how cancer cells adapt to low glutamine conditions is largely unknown. Here, we report that IκB kinase β (IKKβ) is activated upon glutamine deprivation and is required for cell survival independently of NF-κB transcription. We demonstrate that IKKβ directly interacts with and phosphorylates 6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase isoform 3 (PFKFB3), a major driver of aerobic glycolysis, at Ser269 upon glutamine deprivation to inhibit its activity, thereby down-regulating aerobic glycolysis when glutamine levels are low. Thus, due to lack of inhibition of PFKFB3, IKKβ-deficient cells exhibit elevated aerobic glycolysis and lactate production, leading to less glucose carbons contributing to tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates and the pentose phosphate pathway, which results in increased glutamine dependence for both TCA cycle intermediates and reactive oxygen species suppression. Therefore, coinhibition of IKKβ and glutamine metabolism results in dramatic synergistic killing of cancer cells both in vitro and in vivo. In all, our results uncover a previously unidentified role of IKKβ in regulating glycolysis, sensing low-glutamine-induced metabolic stress, and promoting cellular adaptation to nutrient availability.

Driven by oncogenic signaling, glutamine addiction exhibited by cancer cells often leads to severe glutamine depletion in solid tumors. Despite this nutritional environment that tumor cells often experience, the effect of glutamine deficiency on cellular responses to DNA damage and chemotherapeutic treatment remains unclear. Here, we show that glutamine deficiency, through the reduction of alpha-ketoglutarate, inhibits the AlkB homolog (ALKBH) enzymes activity and induces DNA alkylation damage. As a result, glutamine deprivation or glutaminase inhibitor treatment triggers DNA damage accumulation independent of cell death. In addition, low glutamine-induced DNA damage is abolished in ALKBH deficient cells. Importantly, we show that glutaminase inhibitors, 6-Diazo-5-oxo-L-norleucine (DON) or CB-839, hypersensitize cancer cells to alkylating agents both in vitro and in vivo. Together, the crosstalk between glutamine metabolism and the DNA repair pathway identified in this study highlights a potential role of metabolic stress in genomic instability and therapeutic response in cancer.