Immunometabolism as therapeutic target Dimethyl fumarate (DMF) is an immunomodulatory compound used to treat multiple sclerosis and psoriasis whose mechanisms of action remain only partially understood. Kornberg et al. found that DMF and its metabolite, monomethyl fumarate, succinate the glycolytic enzyme GAPDH (see the Perspective by Matsushita and Pearce). After DMF treatment, GAPDH was inactivated, and aerobic glycolysis was down-regulated in both myeloid and lymphoid cells. This resulted in down-modulated immune responses because inflammatory immune-cell subsets require aerobic glycolysis. Thus, metabolism can serve as a viable therapeutic target in autoimmune disease. Science , this issue p. 449 ; see also p. 377

Metabolic profiling of cancer cells has recently been established as a promising tool for the development of therapies and identification of cancer biomarkers. Here we characterized the metabolomic profile of human breast tumors and uncovered intrinsic metabolite signatures in these tumors using an untargeted discovery approach and validation of key metabolites. The oncometabolite 2-hydroxyglutarate (2HG) accumulated at high levels in a subset of tumors and human breast cancer cell lines. We discovered an association between increased 2HG levels and MYC pathway activation in breast cancer, and further corroborated this relationship using MYC overexpression and knockdown in human mammary epithelial and breast cancer cells. Further analyses revealed globally increased DNA methylation in 2HG-high tumors and identified a tumor subtype with high tissue 2HG and a distinct DNA methylation pattern that was associated with poor prognosis and occurred with higher frequency in African-American patients. Tumors of this subtype had a stem cell–like transcriptional signature and tended to overexpress glutaminase, suggestive of a functional relationship between glutamine and 2HG metabolism in breast cancer. Accordingly, 13C-labeled glutamine was incorporated into 2HG in cells with aberrant 2HG accumulation, whereas pharmacologic and siRNA-mediated glutaminase inhibition reduced 2HG levels. Our findings implicate 2HG as a candidate breast cancer oncometabolite associated with MYC activation and poor prognosis.

Transmitochondrial cybrids and multiple OMICs approaches were used to understand mitochondrial reprogramming and mitochondria-regulated cancer pathways in triple-negative breast cancer (TNBC). Analysis of cybrids and established breast cancer (BC) cell lines showed that metastatic TNBC maintains high levels of ATP through fatty acid β oxidation (FAO) and activates Src oncoprotein through autophosphorylation at Y419. Manipulation of FAO including the knocking down of carnitine palmitoyltransferase-1A (CPT1) and 2 (CPT2), the rate-limiting proteins of FAO, and analysis of patient-derived xenograft models confirmed the role of mitochondrial FAO in Src activation and metastasis. Analysis of TCGA and other independent BC clinical data further reaffirmed the role of mitochondrial FAO and CPT genes in Src regulation and their significance in BC metastasis.

Abstract African-American (AA) men are more than twice as likely to die of prostate cancer (PCa) than European American (EA) men. Previous in-silico analysis revealed enrichment of altered lipid metabolic pathways in pan-cancer AA tumors. Here, we performed global unbiased lipidomics profiling on 48 matched localized PCa and benign adjacent tissues (30 AA, 24 ancestry-verified, and 18 EA, 8 ancestry verified) and quantified 429 lipids belonging to 15 lipid classes. Significant alterations in long chain polyunsaturated lipids was observed between PCa and benign adjacent tissues, low and high Gleason tumors, as well as associated with early biochemical recurrence, both in the entire cohort, and within AA patients. Altered levels of cholesteryl esters, and phosphatidyl inositols delineated AA and EA PCa, while levels of triglycerides, phosphatidyl glycerol, phosphatidyl choline, phosphatidic acid and cholesteryl esters distinguished AA and EA PCa patients with biochemical recurrence. These first-in-field results implicate lipid alterations as biological factors for prostate cancer disparities.

Abstract The immunoregulatory enzyme, indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO1) and the PD-1/PD-L1 axis are potent mechanisms that impede effective anti-tumor immunity in ovarian cancer. However, whether the IDO pathway regulates PD-1 expression in T cells is currently unknown. Here we show that tumoral IDO1 expression led to profound changes in tryptophan, nicotinate/nicotinamide, and purine metabolic pathways in the ovarian tumor microenvironment, and to an increased frequency of PD-1 + CD8 + tumor infiltrating T cells. We determined that activation of the aryl hydrocarbon receptor (AHR) by kynurenine induced PD-1 expression, and this effect was significantly abrogated by the AHR antagonist CH223191. Mechanistically, kynurenine alters chromatin accessibility in regulatory regions of T cell inhibitory receptors, allowing AHR to bind to consensus XRE motifs in the promoter region of PD-1. These results enable the design of strategies to target the IDO1 and AHR pathways for enhancing anti-tumor immunity in ovarian cancer.

Abstract Prostate cancer (PCa) is the second most common cancer and constitutes about 14.7% of total cancer cases. PCa is highly prevalent and more aggressive in African American (AA) men when compared to European-American (EA) men. PCa tends to be a highly heterogeneous malignancy with a complex biology that is not fully understood. We use metabolomics as a tool to understand the mechanisms behind PCa progression and disparities in its clinical outcome. A key enzyme in the purine metabolic pathway, Adenosine deaminase (ADA) was found upregulated in PCa. ADA was also associated with higher-grade PCa and poor disease-free survival. The inosine-to-adenosine ratio which is a surrogate for ADA activity was high in the urine of PCa patients and higher in AA PCa compared to EA PCa. To understand the significance of high ADA in PCa, we established ADA overexpression models and performed various in vitro and in vivo studies. Our studies have revealed that an acute increase in the expression of ADA during later stages of tumor development enhances in vivo growth in multiple pre-clinical models. Further analysis reveals that this tumor growth could be driven by the activation of mTOR signaling. Chronic ADA overexpression shows alterations in the cells’ adhesion machinery and a decrease in the adhesion potential of the cells to the extracellular matrix in vitro. Loss of cell-matrix interaction is critical for metastatic dissemination, suggestive of ADA’s role in promoting metastasis. This is consistent with the association of higher ADA expression with higher-grade tumors and poor patient survival. Overall, our findings suggest that increased ADA expression may promote PCa progression, specifically tumor growth and metastatic dissemination.

Abstract Flavin adenine dinucleotide (FAD) interacts with flavoproteins to mediate oxidation-reduction reactions required for cellular energy demands. Not surprisingly, mutations that alter FAD binding to flavoproteins cause rare inborn errors of metabolism (IEMs) that disrupt liver function and render fasting intolerance, hepatic steatosis, and lipodystrophy. In our study, depleting FAD pools in mice with a vitamin B2 deficient diet (B2D) caused phenotypes associated with organic acidemias and other IEMs, including reduced body weight, hypoglycemia, and fatty liver disease. Integrated discovery approaches revealed B2D tempered fasting activation of target genes for the nuclear receptor PPARα, including those required for gluconeogenesis. Treatment with the PPARα agonist fenofibrate activated the integrated stress response and refilled amino acid substrates to rescue fasting glucose availability and overcome B2D phenotypes. Overall, these findings reveal PPARα governs metabolic responses to FAD availability and nominate its pharmacologic activation as strategies for organic acidemias.

The differentiation and suppressive functions of regulatory CD4 T cells (Tregs) are supported by a broad array of metabolic changes, providing potential therapeutic targets for immune modulation. In this study, we focused on the regulatory role of glycolytic enzymes in Tregs and identified phosphoglycerate mutase (PGAM) as being differentially overexpressed in Tregs and associated with a highly suppressive phenotype. Pharmacologic or genetic inhibition of PGAM reduced Treg differentiation and suppressive function while reciprocally inducing markers of a pro-inflammatory, T helper 17 (Th17)-like state. The regulatory role of PGAM was dependent on the contribution of 3-phosphoglycerate (3PG), the PGAM substrate, to de novo serine synthesis. Blocking de novo serine synthesis from 3PG reversed the effect of PGAM inhibition on Treg polarization, while exogenous serine directly inhibited Treg polarization. Additionally, altering serine levels

Obesity fosters low-grade inflammation in white adipose tissue (WAT) that may contribute to the insulin resistance that characterizes type 2 diabetes mellitus (T2DM). However, the causal relationship of these events remains unclear. The established dominance of signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1) function in the immune response suggests an obligate link between inflammation and the co-morbidities of obesity. To this end, we sought to determine how STAT1 activity in white adipocytes affects insulin sensitivity. STAT1 expression in WAT inversely correlated with fasting plasma glucose in both obese mice and humans. Metabolomic and gene expression profiling established STAT1 deletion in adipocytes (STAT1 fKO) enhanced mitochondrial function and accelerated TCA cycle flux coupled with subcutaneous WAT hyperplasia. STAT1 fKO reduced WAT inflammation, but insulin resistance persisted in obese mice. Rather, elimination of type I cytokine interferon gamma (IFNg) activity enhanced insulin sensitivity in diet-induced obesity. Our findings reveal a permissive mechanism that bridges WAT inflammation to whole-body insulin sensitivity.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.