Sporadic amyotrophic lateral sclerosis (sALS) is a progressive motor neuron disease resulting in paralysis and death. Genes responsible for familial ALS have been identified, however the molecular basis for sALS is unknown. To discover metabotypic biomarkers that inform on disease etiology, untargeted metabolite profiling was performed on 77 patient-derived dermal fibroblast lines and 45 age/sex-matched controls. Surprisingly, 25% of sALS lines showed upregulated methionine-derived homocysteine, channeled to cysteine and glutathione (GSH). Stable isotope tracing of [U-13C]-glucose showed activation of the trans-sulfuration pathway, associated with accelerated glucose flux into the TCA cycle, glutamate, GSH, alanine, aspartate, acylcarnitines and nucleotide phosphates. A four-molecule support vector machine model distinguished the sALS subtype from controls with 97.5% accuracy. Plasma metabolite profiling identified increased taurine as a hallmark metabolite for this sALS subset, suggesting systemic perturbation of cysteine metabolism. Furthermore, integrated multi-omics (mRNAs/microRNAs/metabolites) identified the super-trans-sulfuration pathway as a top hit for the sALS subtype. We conclude that sALS can be stratified into distinct metabotypes, providing for future development of personalized therapies that offer new hope to sufferers.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a disease characterized by progressive paralysis and death. Most ALS cases are sporadic (sALS) and patient heterogeneity poses a formidable challenge for the development of viable biomarkers and effective therapies. Applying untargeted metabolite profiling on 77 sALS patient-derived primary dermal fibroblast lines and 45 sex/age matched controls, we found that ~25% of cell lines (termed sALS-1) are characterized by upregulated trans-sulfuration, where methionine-derived homocysteine is channeled into cysteine and glutathione synthesis. sALS-1 fibroblasts exhibit a growth defect when grown under oxidative conditions, that can be fully-rescued by N-acetylcysteine. [U-13C]-glucose tracing shows that activation of the trans-sulfuration pathway is associated with accelerated glucose flux into the TCA cycle. Based on four metabolites, we developed a support vector machine model capable of distinguishing sALS-1 with 97.5% accuracy. Importantly, plasma metabolite profiling identifies a systemic perturbation of cysteine metabolism as a hallmark of sALS-1. These results indicate that sALS patients can be stratified into distinct metabotypes, differently sensitive to metabolic stress, and provides new insights into metabolic biomarkers for personalized sALS therapy.