Ferroptosis is an iron-dependent form of necrotic cell death marked by oxidative damage to phospholipids1,2. To date, ferroptosis has been thought to be controlled only by the phospholipid hydroperoxide-reducing enzyme glutathione peroxidase 4 (GPX4)3,4 and radical-trapping antioxidants5,6. However, elucidation of the factors that underlie the sensitivity of a given cell type to ferroptosis7 is crucial to understand the pathophysiological role of ferroptosis and how it may be exploited for the treatment of cancer. Although metabolic constraints8 and phospholipid composition9,10 contribute to ferroptosis sensitivity, no cell-autonomous mechanisms have been identified that account for the resistance of cells to ferroptosis. Here we used an expression cloning approach to identify genes in human cancer cells that are able to complement the loss of GPX4. We found that the flavoprotein apoptosis-inducing factor mitochondria-associated 2 (AIFM2) is a previously unrecognized anti-ferroptotic gene. AIFM2, which we renamed ferroptosis suppressor protein 1 (FSP1) and which was initially described as a pro-apoptotic gene11, confers protection against ferroptosis elicited by GPX4 deletion. We further demonstrate that the suppression of ferroptosis by FSP1 is mediated by ubiquinone (also known as coenzyme Q10, CoQ10): the reduced form, ubiquinol, traps lipid peroxyl radicals that mediate lipid peroxidation, whereas FSP1 catalyses the regeneration of CoQ10 using NAD(P)H. Pharmacological targeting of FSP1 strongly synergizes with GPX4 inhibitors to trigger ferroptosis in a number of cancer entities. In conclusion, the FSP1–CoQ10–NAD(P)H pathway exists as a stand-alone parallel system, which co-operates with GPX4 and glutathione to suppress phospholipid peroxidation and ferroptosis. In the absence of GPX4, FSP1 regenerates ubiquinol from the oxidized form, ubiquinone, using NAD(P)H and suppresses phospholipid peroxidation and ferroptosis in cells.

A functional genomics study revealed that the activity of acetyl-CoA synthetase 2 (ACSS2) contributes to cancer cell growth under low-oxygen and lipid-depleted conditions. Comparative metabolomics and lipidomics demonstrated that acetate is used as a nutritional source by cancer cells in an ACSS2-dependent manner, and supplied a significant fraction of the carbon within the fatty acid and phospholipid pools. ACSS2 expression is upregulated under metabolically stressed conditions and ACSS2 silencing reduced the growth of tumor xenografts. ACSS2 exhibits copy-number gain in human breast tumors, and ACSS2 expression correlates with disease progression. These results signify a critical role for acetate consumption in the production of lipid biomass within the harsh tumor microenvironment.

An in vivo model of antiangiogenic therapy allowed us to identify genes upregulated by bevacizumab treatment, including Fatty Acid Binding Protein 3 (FABP3) and FABP7, both of which are involved in fatty acid uptake. In vitro, both were induced by hypoxia in a hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α)-dependent manner. There was a significant lipid droplet (LD) accumulation in hypoxia that was time and O2 concentration dependent. Knockdown of endogenous expression of FABP3, FABP7, or Adipophilin (an essential LD structural component) significantly impaired LD formation under hypoxia. We showed that LD accumulation is due to FABP3/7-dependent fatty acid uptake while de novo fatty acid synthesis is repressed in hypoxia. We also showed that ATP production occurs via β-oxidation or glycogen degradation in a cell-type-dependent manner in hypoxia-reoxygenation. Finally, inhibition of lipid storage reduced protection against reactive oxygen species toxicity, decreased the survival of cells subjected to hypoxia-reoxygenation in vitro, and strongly impaired tumorigenesis in vivo.

Protein kinase B (PKB/Akt) has been shown to play a role in protection from apoptosis, cell proliferation and cell growth. It is also involved in mediating the effects of insulin, such as lipogenesis, glucose uptake and conversion of glucose into fatty acids and cholesterol. Sterol-regulatory element binding proteins (SREBPs) are the major transcription factors that regulate genes involved in fatty acid and cholesterol synthesis. It has been postulated that constitutive activation of the phosphatidylinositol 3 kinase/Akt pathway may be involved in fatty acid and cholesterol accumulation that has been described in several tumour types. In this study, we have analysed changes in gene expression in response to Akt activation using DNA microarrays. We identified several enzymes involved in fatty acid and cholesterol synthesis as targets for Akt-regulated transcription. Expression of these enzymes has previously been shown to be regulated by the SREBP family of transcription factors. Activation of Akt induces synthesis of full-length SREBP-1 and SREBP-2 proteins as well as expression of fatty acid synthase (FAS), the key regulatory enzyme in lipid biosynthesis. We also show that Akt leads to the accumulation of nuclear SREBP-1 but not SREBP-2, and that activation of SREBP is required for Akt-induced activation of the FAS promoter. Finally, activation of Akt induces an increase in the concentration of cellular fatty acids as well as phosphoglycerides, the components of cellular membranes. Our data indicate that activation of SREBP by Akt leads to the induction of key enzymes of the cholesterol and fatty acid biosynthesis pathways, and thus membrane lipid biosynthesis.

Metabolic reprogramming is a prominent feature of clear cell renal cell carcinoma (ccRCC). Here we investigated metabolic dependencies in a panel of ccRCC cell lines using nutrient depletion, functional RNAi screening and inhibitor treatment. We found that ccRCC cells are highly sensitive to the depletion of glutamine or cystine, two amino acids required for glutathione (GSH) synthesis. Moreover, silencing of enzymes of the GSH biosynthesis pathway or glutathione peroxidases, which depend on GSH for the removal of cellular hydroperoxides, selectively reduced viability of ccRCC cells but did not affect the growth of non-malignant renal epithelial cells. Inhibition of GSH synthesis triggered ferroptosis, an iron-dependent form of cell death associated with enhanced lipid peroxidation. VHL is a major tumour suppressor in ccRCC and loss of VHL leads to stabilisation of hypoxia inducible factors HIF-1α and HIF-2α. Restoration of functional VHL via exogenous expression of pVHL reverted ccRCC cells to an oxidative metabolism and rendered them insensitive to the induction of ferroptosis. VHL reconstituted cells also exhibited reduced lipid storage and higher expression of genes associated with oxidiative phosphorylation and fatty acid metabolism. Importantly, inhibition of β-oxidation or mitochondrial ATP-synthesis restored ferroptosis sensitivity in VHL reconstituted cells. We also found that inhibition of GSH synthesis blocked tumour growth in a MYC-dependent mouse model of renal cancer. Together, our data suggest that reduced fatty acid metabolism due to inhibition of β-oxidation renders renal cancer cells highly dependent on the GSH/GPX pathway to prevent lipid peroxidation and ferroptotic cell death.

Forkhead transcription factors of the O class (FOXOs) are important targets of the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt pathway, and are key regulators of the cell cycle, apoptosis and response to oxidative stress. FOXOs have been shown to have tumour suppressor function and are important for stem cell maintenance. We have performed a detailed analysis of the transcriptional programme induced in response to Forkhead-box protein O3a (FOXO3a) activation. We observed that FOXO3a activation results in the repression of a large number of nuclear-encoded genes with mitochondrial function. Repression of these genes was mediated by FOXO3a-dependent inhibition of c-Myc. FOXO3a activation also caused a reduction in mitochondrial DNA copy number, expression of mitochondrial proteins, respiratory complexes and mitochondrial respiratory activity. FOXO3a has been previously implicated in the detoxification of reactive oxygen species (ROS) through induction of manganese-containing superoxide dismutase (SOD2). We observed that reduction in ROS levels following FOXO3a activation was independent of SOD2, but required c-Myc inhibition. Hypoxia increases ROS production from the mitochondria, which is required for stabilisation of the hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α). FOXO3a activation blocked the hypoxia-dependent increase in ROS and prevented HIF-1α stabilisation. Our data suggest that FOXO factors regulate mitochondrial activity through inhibition of c-Myc function and alter the hypoxia response.

The increased glucose metabolism in cancer cells is required to fulfill their high energetic and biosynthetic demands. Changes in the metabolic activity of cancer cells are caused by the activation of oncogenes or loss of tumor suppressors. They can also be part of the metabolic adaptations to the conditions imposed by the tumor microenvironment, such as the hypoxia response. Among the metabolic enzymes that are modulated by these factors are the 6-phosphofructo-2-kinase/fructose 2,6-bisphosphatases (PFKFBs), a family of bifunctional enzymes that control the levels of fructose 2,6-bisphosphate (Fru-2,6-P2). This metabolite is important for the dynamic regulation of glycolytic flux by allosterically activating the rate-limiting enzyme of glycolysis phosphofructokinase-1 (PFK-1). Therapeutic strategies designed to alter the levels of this metabolite are likely to interfere with the metabolic balance of cancer cells, and could lead to a reduction in cancer cell proliferation, invasiveness and survival. This article will review our current understanding of the role of PFKFB proteins in the control of cancer metabolism and discuss the emerging interest in these enzymes as potential targets for the development of antineoplastic agents.

Abstract Background Regulation of lipid metabolism via activation of sterol regulatory element binding proteins (SREBPs) has emerged as an important function of the Akt/mTORC1 signaling axis. Although the contribution of dysregulated Akt/mTORC1 signaling to cancer has been investigated extensively and altered lipid metabolism is observed in many tumors, the exact role of SREBPs in the control of biosynthetic processes required for Akt-dependent cell growth and their contribution to tumorigenesis remains unclear. Results We first investigated the effects of loss of SREBP function in non-transformed cells. Combined ablation of SREBP1 and SREBP2 by siRNA-mediated gene silencing or chemical inhibition of SREBP activation induced endoplasmic reticulum (ER)-stress and engaged the unfolded protein response (UPR) pathway, specifically under lipoprotein-deplete conditions in human retinal pigment epithelial cells. Induction of ER-stress led to inhibition of protein synthesis through increased phosphorylation of eIF2α. This demonstrates for the first time the importance of SREBP in the coordination of lipid and protein biosynthesis, two processes that are essential for cell growth and proliferation. SREBP ablation caused major changes in lipid composition characterized by a loss of mono- and poly-unsaturated lipids and induced accumulation of reactive oxygen species (ROS) and apoptosis. Alterations in lipid composition and increased ROS levels, rather than overall changes to lipid synthesis rate, were required for ER-stress induction. Next, we analyzed the effect of SREBP ablation in a panel of cancer cell lines. Importantly, induction of apoptosis following SREBP depletion was restricted to lipoprotein-deplete conditions. U87 glioblastoma cells were highly susceptible to silencing of either SREBP isoform, and apoptosis induced by SREBP1 depletion in these cells was rescued by antioxidants or by restoring the levels of mono-unsaturated fatty acids. Moreover, silencing of SREBP1 induced ER-stress in U87 cells in lipoprotein-deplete conditions and prevented tumor growth in a xenograft model. Conclusions Taken together, these results demonstrate that regulation of lipid composition by SREBP is essential to maintain the balance between protein and lipid biosynthesis downstream of Akt and to prevent resultant ER-stress and cell death. Regulation of lipid metabolism by the Akt/mTORC1 signaling axis is required for the growth and survival of cancer cells.

Abstract Understanding the operational molecular, and metabolic networks that determine the balance between pro- and anti-ferroptotic regulatory pathways could unravel unique vulnerabilities to be exploited for cancer therapy. Here we identify the selenoprotein P (SELENOP) receptor, LRP8, as a key determinant protecting MYCN-amplified neuroblastoma cells from ferroptosis in vitro and in orthotopic neuroblastoma mouse models. Specifically, the exquisite dependency on LRP8-mediated selenocysteine import is caused by the failure of MYCN-amplified cells to efficiently utilize alternative forms of selenium/selenocysteine based uptake necessary for selenoprotein biosynthesis. Increased activity of one of such transporters, SLC7A11, in MYCN-amplified cells leads to cysteine overload, progressive mitochondrial decline and impaired proliferation. These data reveal in LRP8 a targetable, and specific vulnerability of MYCN-amplified neuroblastoma cells and disclose a yet-unaccounted mechanism for selective ferroptosis induction that has the potential to become an important therapeutic entry point for MYCN-amplified neuroblastoma. Statement of significance Given the largely unsuccessful repurposing of adult oncology drugs for the treatment of neuroblastoma, our discoveries pave the way for novel ferroptosis based strategies for this entity. Specifically, targeting of LRP8 may offer novel therapeutic and safer opportunities for a number of pediatric malignancies and MYCN driven cancers.

Abstract Cell omics such as single-cell genomics, proteomics and microbiomics allow the characterisation of tissue and microbial community composition, which can be compared between conditions to identify biological drivers. This strategy has been critical to unveiling markers of disease progression such as cancer and pathogen infection. For cell omic data, no method for differential variability analysis exists, and methods for differential composition analysis only take a few fundamental data properties into account. Here we introduce sccomp, a generalised method for differential composition and variability analyses able to jointly model data count distribution, compositionality, group-specific variability and proportion mean-variability association, with awareness against outliers. Sccomp is an extensive analysis framework that allows realistic data simulation and cross-study knowledge transfer. Here, we demonstrate that mean-variability association is ubiquitous across technologies showing the inadequacy of the very popular Dirichlet-multinomial modelling and provide mandatory principles for differential variability analysis. We show that sccomp accurately fits experimental data, with a 50% incremental improvement over state-of-the-art algorithms. Using sccomp, we identified novel differential constraints and composition in the microenvironment of primary breast cancer. Significance statement Determining the composition of cell populations is made possible by technologies like single-cell transcriptomics, CyTOF and microbiome sequencing. Such analyses are now widespread across fields (~800 publications/month, Scopus). However, existing methods for differential abundance do not model all data features, and cell-type/taxa specific differential variability is not yet possible. Increase in the variability of tissue composition and microbial communities is a well-known indicator of loss of homeostasis and disease. A suitable statistical method would enable new types of analyses to identify component-specific loss of homeostasis for the first time. This and other innovations are now possible through our discovery of the mean-variability association for compositional data. Based on this fundamental observation, we have developed a new statistical model, sccomp, that enables differential variability analysis for composition data, improved differential abundance analyses, with cross-sample information borrowing, outlier identification and exclusion, realistic data simulation, based on experimental datasets, cross-study knowledge transfer.