Abstract Rewired metabolism is a hallmark of pancreatic ductal adenocarcinomas (PDA). Previously, we demonstrated that PDA cells enhance glycosylation precursor biogenesis through the hexosamine biosynthetic pathway (HBP) via activation of the rate limiting enzyme, glutamine-fructose 6-phosphate amidotransferase 1 (GFAT1). Here, we genetically ablated GFAT1 in PDA cell lines, which completely blocked proliferation in vitro and led to cell death. In contrast, GFAT1 knockout did not impair tumor growth, suggesting that cancer cells can maintain fidelity of glycosylation precursor pools by scavenging nutrients from the tumor microenvironment. Here, we show that hyaluronic acid (HA), an abundant carbohydrate polymer in pancreatic tumors composed of repeating N-acetyl-glucosamine (GlcNAc) and glucuronic acid sugars, can bypass GFAT1 to refuel the HBP via the GlcNAc salvage pathway. Furthermore, HA facilitates proliferation in nutrient-starved wild-type PDA. Together, these data show HA can serve as a nutrient fueling PDA metabolism beyond its previously appreciated structural and signaling roles.

Summary Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) is characterized by a heterogenous and densely fibrotic microenvironment. This limits functional vasculature and diffusion of nutrients through the tumor 1,2 . Accordingly, pancreatic cancer cells develop numerous metabolic adaptations to survive and proliferate in nutrient austere conditions 3-7 . Subtypes of PDA have been characterized by transcriptional and functional differences 8-12 , which have been reported to exist within the same tumor 13-15 . However, it remains unclear if this diversity extends to metabolic programming. Here, using a combination of metabolomic profiling and functional interrogation of metabolic dependencies, we identify two distinct metabolic subclasses within neoplastic populations isolated from a single pancreatic tumor. Furthermore, these populations are poised for metabolic crosstalk, and in examining this, we find an unexpected role for asparagine in maintaining cell proliferation following mitochondrial inhibition. Functionally, when challenged by mitochondrial inhibition, asparagine supplementation increases intracellular levels of asparagine and aspartate, a rate limiting biosynthetic precursor 16-18 . Conversely, depletion of extracellular asparagine with PEG-asparaginase sensitizes pancreatic tumors to mitochondrial targeting with phenformin. Together, these data extend the concept of metabolic diversity to neoplastic populations within individual tumors, while illustrating a new method of intratumoral communication that supports tumor fitness 19,20 . Finally, the combination of asparaginase with mitochondrial inhibition could provide a powerful new strategy for this difficult to treat disease.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) is a lethal disease characterized by high invasiveness, therapeutic resistance, and metabolic aberrations. Although altered metabolism drives PDA growth and survival, the complete spectrum of metabolites used as nutrients by PDA remains largely unknown. Here, we aimed to determine novel nutrients utilized by PDA. We assessed how >175 metabolites impacted metabolic activity in 19 PDA cell lines under nutrient-restricted conditions. This analysis identified uridine as a novel metabolite driver of PDA survival in glucose-deprived conditions. Uridine utilization strongly correlated with expression of the enzyme uridine phosphorylase 1 (UPP1). Metabolomics profiling, notably 13 C-stable isotope tracing, revealed that uridine-derived ribose is the relevant component supporting redox balance, survival, and proliferation in glucose-deprived PDA cells. We demonstrate that UPP1 catabolizes uridine, shunting its ribose component into central carbon metabolism to support glycolysis, the tricarboxylic acid (TCA) cycle and nucleotide biosynthesis. Compared to non-tumoral tissues, we show that PDA tumors express high UPP1 , which correlated with poor overall survival in multiple patient cohorts. Further, uridine is enriched in the pancreatic tumor microenvironment, and we demonstrate that this may be provided in part by tumor associated macrophages. Finally, we found that inhibition of UPP1 restricted the ability of PDA cells to use uridine, and that UPP1 knockout impairs tumor growth in vivo . Our data identifies uridine catabolism as a critical aspect of compensatory metabolism in nutrient-deprived PDA cells, suggesting a novel metabolic axis for PDA therapy.

ABSTRACT The tumor microenvironment (TME) in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) restricts vascularization and, consequently, access to blood-derived nutrients and oxygen, which impacts tumor growth. Intracellular redox imbalance is another restraint on cellular proliferation, yet it is unknown if the TME contributes to the maintenance of redox homeostasis in PDA cells. Here, we demonstrate that the loss of mitochondrial glutamate-oxaloacetate transaminase 2 (GOT2), a component in the malate-aspartate shuttle, disturbs redox homeostasis and halts proliferation of PDA cells in vitro. In contrast, GOT2 inhibition has no effect on in vivo tumor growth or tumorigenesis in an autochthonous model. We propose that this discrepancy is explained by heterocellular pyruvate exchange from the TME, including from cancer associated fibroblasts. More broadly, pyruvate similarly confers resistance to inhibitors of mitochondrial respiration. Genetic or pharmacologic inhibition of pyruvate uptake or metabolism abrogated pyruvate-mediated alleviation of reductive stress from NADH buildup. In sum, this work describes a potential resistance mechanism mediated by metabolic crosstalk within the pancreatic TME. These findings have important implications for metabolic treatment strategies since several mitochondrial inhibitors are currently in clinical trials for PDA and other cancers.

The dueling roles of H 2 S as an endogenously synthesized respiratory substrate and as a toxin, raise questions as to how it is cleared when the electron transport chain is inhibited. Sulfide quinone oxidoreductase (SQOR) is a mitochondrial inner membrane flavoprotein that catalyzes the first step in the H 2 S oxidation pathway and uses coenzyme Q (CoQ) as an electron acceptor. However, complex IV poisoning by H 2 S inhibits complex III-dependent recycling of CoQH 2 , which is needed to sustain H 2 S oxidation. We have discovered that under these conditions, reversal of complex II activity using fumarate as an electron acceptor, establishes a new redox cycle with SQOR. The purine nucleotide cycle and the malate aspartate shuttle are sources of fumarate in H 2 S treated cells, which accumulate succinate. Complex II knockdown decreases the efficiency of H 2 S clearance and increases recovery time to the basal respiration rate in H 2 S treated cells. In contrast, attenuation of complex I, which is a major competitor for the mitochondrial CoQ pool, has the opposite effects. Targeted knockout of complex II in murine intestinal epithelial cells that are routinely exposed to microbiota derived H 2 S, decreases serum, urine, and fecal thiosulfate, a product of H 2 S oxidation. Our study identifies a metabolic reprogramming response to H 2 S that furnishes fumarate as an alternate electron acceptor and supports H 2 S oxidation independent of complex IV activity. Complex II-linked redox cycling of SQOR has important implications for gut H 2 S metabolism as colonocytes are routinely exposed to high concentrations of this gas derived from the microbiota. One Sentence Summary Reversal of complex II sustains and prioritizes H 2 S oxidation when respiration is poisoned.

Summary Pancreatic cancer (Pancreatic Ductal Adenocarcinoma; PDAC) is highly resistant to chemotherapy. Effective alternative therapies have yet to emerge, leaving chemotherapy as the best available systematic treatment. The discovery of safe and available adjuncts that improve chemotherapeutic efficacy would potentially improve survival outcomes. We show that a hyperglycemic state enhances the efficacy of conventional single- and multi-agent chemotherapies against PDAC. Molecular analyses of tumors exposed to relatively high glucose levels revealed that a key metabolic pathway, glutathione biosynthesis, is diminished and underlies chemo-sensitization by enhancing oxidative injury to cancer cells. Inhibition of this pathway under normal conditions phenocopied a hyperglycemic state by enhancing chemotherapeutic efficacy in mouse PDAC, while rescuing the pathway under high glucose abrogated the anti-tumor effects observed with chemotherapy.

Abstract Cellular metabolism is essential in dictating conventional T cell development and function, but its role in natural killer T (NKT) cells has not been well studied. We have previously shown that NKT cells operate distinctly different metabolic programming from CD4 T cells, including a strict requirement for glutamine metabolism to regulate NKT cell homeostasis. However, the mechanisms by which NKT cells regulate glutamine metabolism for their homeostasis and effector functions remain unknown. In this study, we report that steady state NKT cells have higher glutamine levels than CD4 T cells and NKT cells increase glutaminolysis upon activation. Among its many metabolic fates, NKT cells use glutamine to fuel the tricarboxylic acid cycle and glutathione synthesis, and glutamine-derived nitrogen enables protein glycosylation via the hexosamine biosynthesis pathway (HBP). Each of these functions of glutamine metabolism was found to be critical for NKT cell survival and proliferation. Furthermore, we demonstrate that glutaminolysis and the HBP differentially regulate IL-4 and IFNγ production. Finally, glutamine metabolism appears to be controlled by AMP-activated protein kinase (AMPK)-mTORC1 signaling. These findings highlight a unique metabolic requirement of NKT cells which can be potentially serve as an effective immunotherapeutic agent against certain nutrient restricted tumors. Significance NKT cells get activated very early during an immune response and produce cytokines and chemokines, which further activate other immune cell types. Although metabolism regulates these functions in other T cell subsets, little is understood about how metabolic pathways are controlled in NKT cells. The present study shows that NKT cells metabolize the amino acid glutamine through two different branches of metabolism, which control NKT cell homeostasis and expansion in a similar manner but control cytokine production differently. This glutamine dependency seems to be regulated by AMP-activated protein kinase (AMPK), which is a central regulator of energy homeostasis. Together, our study demonstrates a unique metabolic profile of glutamine metabolism in NKT cells which could be harnessed for NKT cell-based immunotherapy.

Intestinal epithelial cell (IEC) damage by T cells contributes to alloimmune, autoimmune and iatrogenic diseases such as graft-versus-host disease (GVHD), inflammatory bowel disease (IBD) and immune checkpoint blockade (ICB) mediated colitis, respectively. Despite significant advances in understanding the aberrant biology of T cells in these diseases, little is known about how the fundamental biological processes of the target IECs influence the disease severity. Here, through analyses of metabolic pathways of IECs, we identified disruption of oxidative phosphorylation without a concomitant change in glycolysis and an increase in succinate levels in several distinct in vivo models of T cell mediated gastrointestinal damage such as GVHD, IBD and ICB mediated colitis. Metabolic flux studies, complemented by imaging and protein analyses identified a critical role for IEC intrinsic succinate dehydrogenase A (SDHA), a component of mitochondrial complex II, in causing these metabolic alterations that contributed to the severity of intestinal damage. The critical mechanistic role of IEC intrinsic SDHA was confirmed by complementary chemical and genetic reduction of SDHA and with IEC specific deletion of SDHA. Further in vitro and in vivo mechanistic studies demonstrated that loss of SDHA in IECs was mediated by the perforin-granzyme from the T cells. The loss of SDHA was also validated in human clinical samples. These data identify a critical role for the alteration of the IEC specific mitochondrial complex II component SDHA in the regulation of the severity of T cell mediated intestinal diseases.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) is the third-leading cause of cancer mortality in the US and is highly resistant to classical, targeted, and immune therapies. We show that human PDA cells are dependent on the provision of exogenous cystine to avert a catastrophic accumulation of lipid reactive oxygen species (ROS) that, left unchecked, leads to ferroptotic cell death, both in vitro and in vivo. Using a dual-recombinase genetically engineered model, we found that acute deletion of Slc7a11 led to tumor-selective ferroptosis, tumor stabilizations/regressions, and extended overall survival. The mechanism of ferroptosis induction in PDA cells required the concerted depletion of both glutathione and coenzyme A, highlighting a novel branch of ferroptosis-relevant metabolism. Finally, we found that cystine depletion in vivo using the pre-IND agent cyst(e)inase phenocopied Slc7a11 deletion, inducing tumor-selective ferroptosis and disease stabilizations/regressions in the well-validated KPC model of PDA.

SUMMARY Glioblastoma (GBM) is among the deadliest of human cancers. Despite extensive efforts, it has proven to be highly resistant to chemo- and immune-based therapeutic strategies, and little headway has been made with targeted inhibitors. Like many cancers, metabolism is dysregulated in GBM. Thus, to identify new vulnerabilities and drug targets in GBM, we conducted genetic screens using pooled RNAi libraries targeting metabolic enzymes. We screened multiple glioma stem cell-derived (GSC) xenograft models, which revealed that several enzymes involved in the mitochondrial metabolism of fatty acids were required for tumor cell proliferation. From among these, we focused on medium-chain acyl-CoA dehydrogenase (MCAD), which oxidizes medium-chain fatty acids, due to its consistently high score across all of our screens, as well as its high expression level in multiple GSC models and its upregulation in GBM compared to normal brain. In this manuscript, we describe the dependence of GBM on sustained fatty acid metabolism to actively catabolize lipid species that would otherwise damage the mitochondrial structure. The uptake of mediumchain fatty acids lacks negative feedback regulation; therefore, in the absence of MCAD, medium-chain fatty acids accumulate to toxic levels, inducing reactive oxygen species (ROS), mitochondrial damage and failure, and apoptosis. Taken together, our findings uncover a previously unappreciated protective role exerted by MCAD in GBM cells, making it a unique and therapeutically exploitable vulnerability.