Mutations in isocitrate dehydrogenases 1 and 2 (IDH1 and IDH2) in the majority of people with grade 2 and 3 gliomas is associated with elevated levels of 2-hydroxyglutarate (2HG) within the tumor. As harboring IDH1 or IDH2 mutations confers a considerable survival benefit in these individuals, there has been considerable interest in studying this metabolite as a potential biomarker. Here, Changho Choi et al. report the successful noninvasive detection of 2HG in 30 subjects with gliomas using a proton magnetic resonance spectroscopy approach. Mutations in isocitrate dehydrogenases 1 and 2 (IDH1 and IDH2) have been shown to be present in most World Health Organization grade 2 and grade 3 gliomas in adults. These mutations are associated with the accumulation of 2-hydroxyglutarate (2HG) in the tumor. Here we report the noninvasive detection of 2HG by proton magnetic resonance spectroscopy (MRS). We developed and optimized the pulse sequence with numerical and phantom analyses for 2HG detection, and we estimated the concentrations of 2HG using spectral fitting in the tumors of 30 subjects. Detection of 2HG correlated with mutations in IDH1 or IDH2 and with increased levels of D-2HG by mass spectrometry of the resected tumors. Noninvasive detection of 2HG may prove to be a valuable diagnostic and prognostic biomarker.

Ink4a/Arf inactivation and epidermal growth factor receptor (EGFR) activation are signature lesions in high-grade gliomas. How these mutations mediate the biological features of these tumors is poorly understood. Here, we demonstrate that combined loss of p16(INK4a) and p19(ARF), but not of p53, p16(INK4a), or p19(ARF), enables astrocyte dedifferentiation in response to EGFR activation. Moreover, transduction of Ink4a/Arf(-/-) neural stem cells (NSCs) or astrocytes with constitutively active EGFR induces a common high-grade glioma phenotype. These findings identify NSCs and astrocytes as equally permissive compartments for gliomagenesis and provide evidence that p16(INK4a) and p19(ARF) synergize to maintain terminal astrocyte differentiation. These data support the view that dysregulation of specific genetic pathways, rather than cell-of-origin, dictates the emergence and phenotype of high-grade gliomas.

Glioblastomas and brain metastases are highly proliferative brain tumors with short survival times. Previously, using 13C-NMR analysis of brain tumors resected from patients during infusion of 13C-glucose, we demonstrated that there is robust oxidation of glucose in the citric acid cycle, yet glucose contributes less than 50% of the carbons to the acetyl-CoA pool. Here, we show that primary and metastatic mouse orthotopic brain tumors have the capacity to oxidize [1,2-13C]acetate and can do so while simultaneously oxidizing [1,6-13C]glucose. The tumors do not oxidize [U-13C]glutamine. In vivo oxidation of [1,2-13C]acetate was validated in brain tumor patients and was correlated with expression of acetyl-CoA synthetase enzyme 2, ACSS2. Together, the data demonstrate a strikingly common metabolic phenotype in diverse brain tumors that includes the ability to oxidize acetate in the citric acid cycle. This adaptation may be important for meeting the high biosynthetic and bioenergetic demands of malignant growth.

Human solid tumors frequently have pronounced heterogeneity of both neoplastic and normal cells on the histological, genetic, and gene expression levels. While current efforts are focused on understanding heterotypic interactions between tumor cells and surrounding normal cells, much less is known about the interactions between and among heterogeneous tumor cells within a neoplasm. In glioblastoma multiforme (GBM), epidermal growth factor receptor gene ( EGFR ) amplification and mutation ( EGFRvIII/ΔEGFR ) are signature pathogenetic events that are invariably expressed in a heterogeneous manner. Strikingly, despite its greater biological activity than wild-type EGFR (wtEGFR), individual GBM tumors expressing both amplified receptors typically express wtEGFR in far greater abundance than the ΔEGFR lesion. We hypothesized that the minor ΔEGFR-expressing subpopulation enhances tumorigenicity of the entire tumor cell population, and thereby maintains heterogeneity of expression of the two receptor forms in different cells. Using mixtures of glioma cells as well as immortalized murine astrocytes, we demonstrate that a paracrine mechanism driven by ΔEGFR is the primary means for recruiting wtEGFR-expressing cells into accelerated proliferation in vivo. We determined that human glioma tissues, glioma cell lines, glioma stem cells, and immortalized mouse Ink4a/Arf −/− astrocytes that express ΔEGFR each also express IL-6 and/or leukemia inhibitory factor (LIF) cytokines. These cytokines activate gp130, which in turn activates wtEGFR in neighboring cells, leading to enhanced rates of tumor growth. Ablating IL-6, LIF, or gp130 uncouples this cellular cross-talk, and potently attenuates tumor growth enhancement. These findings support the view that a minor tumor cell population can potently drive accelerated growth of the entire tumor mass, and thereby actively maintain tumor cell heterogeneity within a tumor mass. Such interactions between genetically dissimilar cancer cells could provide novel points of therapeutic intervention.

Dysregulated metabolism is a hallmark of cancer cell lines, but little is known about the fate of glucose and other nutrients in tumors growing in their native microenvironment. To study tumor metabolism in vivo, we used an orthotopic mouse model of primary human glioblastoma (GBM). We infused 13C-labeled nutrients into mice bearing three independent GBM lines, each with a distinct set of mutations. All three lines displayed glycolysis, as expected for aggressive tumors. They also displayed unexpected metabolic complexity, oxidizing glucose via pyruvate dehydrogenase and the citric acid cycle, and using glucose to supply anaplerosis and other biosynthetic activities. Comparing the tumors to surrounding brain revealed obvious metabolic differences, notably the accumulation of a large glutamine pool within the tumors. Many of these same activities were conserved in cells cultured ex vivo from the tumors. Thus GBM cells utilize mitochondrial glucose oxidation during aggressive tumor growth in vivo.

SummaryRecent studies have identified stem cells in brain cancer. However, their relationship to normal CNS progenitors, including dependence on common lineage-restricted pathways, is unclear. We observe expression of the CNS-restricted transcription factor, OLIG2, in human glioma stem and progenitor cells reminiscent of type C transit-amplifying cells in germinal zones of the adult brain. Olig2 function is required for proliferation of neural progenitors and for glioma formation in a genetically relevant murine model. Moreover, we show p21WAF1/CIP1, a tumor suppressor and inhibitor of stem cell proliferation, is directly repressed by OLIG2 in neural progenitors and gliomas. Our findings identify an Olig2-regulated lineage-restricted pathway critical for proliferation of normal and tumorigenic CNS stem cells.

Adult differentiated cells can be reprogrammed into pluripotent stem cells or lineage-restricted proliferating precursors in culture; however, this has not been demonstrated in vivo. Here, we show that the single transcription factor SOX2 is sufficient to reprogram resident astrocytes into proliferative neuroblasts in the adult mouse brain. These induced adult neuroblasts (iANBs) persist for months and can be generated even in aged brains. When supplied with BDNF and noggin or when the mice are treated with a histone deacetylase inhibitor, iANBs develop into electrophysiologically mature neurons, which functionally integrate into the local neural network. Our results demonstrate that adult astrocytes exhibit remarkable plasticity in vivo, a feature that might have important implications in regeneration of the central nervous system using endogenous patient-specific glial cells. Adult differentiated cells can be reprogrammed to lineage-restricted proliferating neural precursors in vitro. Zhang and colleagues show that the transcription factor SOX2 is sufficient to reprogram resident astrocytes in the mouse brain to neuroblasts that can proliferate and differentiate following treatment with histone deacetylase inhibitors and differentiating factors BDNF and noggin.

The mechanics of the cellular microenvironment continuously modulates cell functions such as growth, survival, apoptosis, differentiation and morphogenesis via cytoskeletal remodelling and actomyosin contractility1-3. Although all of these processes consume energy4,5, it is unknown whether and how cells adapt their metabolic activity to variable mechanical cues. Here we report that the transfer of human bronchial epithelial cells from stiff to soft substrates causes a downregulation of glycolysis via proteasomal degradation of the rate-limiting metabolic enzyme phosphofructokinase (PFK). PFK degradation is triggered by the disassembly of stress fibres, which releases the PFK-targeting E3 ubiquitin ligase tripartite motif (TRIM)-containing protein 21 (TRIM21). Transformed non-small-cell lung cancer cells, which maintain high glycolytic rates regardless of changing environmental mechanics, retain PFK expression by downregulating TRIM21, and by sequestering residual TRIM21 on a stress-fibre subset that is insensitive to substrate stiffness. Our data reveal a mechanism by which glycolysis responds to architectural features of the actomyosin cytoskeleton, thus coupling cell metabolism to the mechanical properties of the surrounding tissue. These processes enable normal cells to tune energy production in variable microenvironments, whereas the resistance of the cytoskeleton in response to mechanical cues enables the persistence of high glycolytic rates in cancer cells despite constant alterations of the tumour tissue.