Polycystic kidney disease is marked by progressive growth of renal tubular epithelia and thus the formation of pathological cysts in the organ over time. Alessandra Boletta and her colleagues now show that this cystic growth has the hallmarks of the Warburg effect (that is, the primary reliance of cells on glycolysis for their energy demands) and that blocking this effect in vivo is sufficient to improve disease progression in two mouse models. Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is a common genetic disorder characterized by bilateral renal cyst formation1. Recent identification of signaling cascades deregulated in ADPKD has led to the initiation of several clinical trials, but an approved therapy is still lacking2,3. Using a metabolomic approach, we identify a pathogenic pathway in this disease that can be safely targeted for therapy. We show that mutation of PKD1 results in enhanced glycolysis in cells in a mouse model of PKD and in kidneys from humans with ADPKD. Glucose deprivation resulted in lower proliferation and higher apoptotic rates in PKD1-mutant cells than in nondeprived cells. Notably, two distinct PKD mouse models treated with 2-deoxyglucose (2DG), to inhibit glycolysis, had lower kidney weight, volume, cystic index and proliferation rates as compared to nontreated mice. These metabolic alterations depend on the extracellular signal-related kinase (ERK) pathway acting in a dual manner by inhibiting the liver kinase B1 (LKB1)–AMP-activated protein kinase (AMPK) axis on the one hand while activating the mTOR complex 1 (mTORC1)-glycolytic cascade on the other. Enhanced metabolic rates further inhibit AMPK. Forced activation of AMPK acts in a negative feedback loop, restoring normal ERK activity. Taken together, these data indicate that defective glucose metabolism is intimately involved in the pathobiology of ADPKD. Our findings provide a strong rationale for a new therapeutic strategy using existing drugs, either individually or in combination.

Autosomal dominant polycystic kidney disease is characterized by cyst formation in the kidney and other organs and results from mutations of PKD1 or PKD2. Previous studies suggest that their gene products have an important role in growth regulation. We now show that expression of polycystin-1 activates the JAK-STAT pathway, thereby upregulating p21waf1 and inducing cell cycle arrest in G0/G1. This process requires polycystin-2, a channel protein, as an essential cofactor. Mutations that disrupt polycystin-1/2 binding prevent activation of the pathway. Mouse embryos lacking Pkd1 have defective STAT1 phosphorylation and p21waf1 induction. These results suggest that one function of the polycystin-1/2 complex is to regulate the JAK/STAT pathway and explain how mutations of either gene can result in dysregulated growth.

ABSTRACT MYC is a key oncogenic driver and an adverse prognostic factor in multiple types of cancer, including diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL). Yet, MYC activation also endows cancer cells with a series of metabolic dependencies, which can provide strategic points for targeted pharmacological intervention. We recently reported that targeting the mitochondrial electron transport chain (ETC) complex I with the small molecule inhibitor IACS-010759 selectively killed MYC-overexpressing lymphoid cells. Here, we unravel the mechanistic basis for this synthetic-lethal interaction and exploit it to improve the anti-tumoral effects of ETC inhibition. In a mouse B-cell line, MYC hyperactivation and IACS-010759 treatment added up to induce oxidative stress, with consequent depletion of reduced glutathione and lethal disruption of redox homeostasis. This effect could be enhanced by targeted pharmacological intervention, with either inhibitors of NADPH production through the pentose phosphate pathway, or with ascorbate (vitamin C), known to contribute pro-oxidant effects when administered at high doses. In these conditions, ascorbate synergized with IACS-010759 to kill MYC-overexpressing cells in vitro and reinforced its therapeutic action against human B-cell lymphoma xenografts. Hence, ETC inhibition and high-dose ascorbate might improve the outcome of patients affected by high-grade lymphomas and other MYC-driven cancers. Key point #1 MYC and the ETC complex I inhibitor IACS-010759 elicit different reactive oxygen species (ROS) that cooperate to disrupt redox homeostasis. Key point #2 Further boosting of oxidative stress with high doses of ascorbate increases the killing of MYC-driven lymphoma xenografts by IACS-010759.

Abstract Multiple molecular features, such as activation of specific oncogenes (e. g. MYC , BCL2 ) or a variety of gene expression signatures, have been associated with disease course in diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL). Understanding the relationships between these features and their possible exploitation toward disease classification and therapy remains a major priority in the field. Here, we report that MYC activity in DLBCL is closely correlated with – and most likely a driver of – gene signatures related to Oxidative Phosphorylation (OxPhos). On this basis, we hypothesized that enzymes involved in Oxidative Phosphorylation, and in particular electron-transport chain (ETC) complexes, might constitute tractable therapeutic targets in MYC-associated lymphoma. Indeed, our data show that MYC sensitizes B-cells to IACS-010759, a selective inhibitor of ETC complex I. Mechanistically, IACS-010759 activates an ATF4-driven Integrated Stress Response (ISR), engaging the intrinsic apoptosis pathway through the transcription factor CHOP. In line with these findings, IACS-010759 shows synergy with the BCL2 inhibitor venetoclax against double-hit lymphoma (DHL), a high-grade form of DLBCL with concurrent activation of MYC and BCL2 . Similarly, in BCL2-negative lymphoma cell lines, inhibition of the BCL2-related protein Mcl-1 potentiates killing by IACS-010759. Altogether, ETC complex I inhibition engages the ISR to lower the apoptotic threshold in MYC-driven lymphomas and, in combination with select BCL2-family inhibitors, provides a novel therapeutic principle against this aggressive DLBCL subset. Statement of significance This work points to OxPhos as a key MYC-activated process and a tractable therapeutic target toward personalized treatment of high-grade DLBCL, providing strong context-dependent cooperation with BH3-mimetic compounds.

Polycystic Kidney Disease (PKD) is a genetic disorder characterized by bilateral cyst formation. We showed that PKD cells and kidneys display metabolic alterations, including Warburg effect and glutaminolysis, sustained in vitro by the enzyme asparagine synthetase (ASNS). Here, we used antisense oligonucleotides (ASO) against Asns in orthologous and slowly progressive PKD murine models and show that treatment leads to a reduction of total kidney volume (measured by MRI) and a prominent rescue of renal function. Mechanistically, upregulation of an ATF4-ASNS axis in PKD is driven by the aminoacid response (AAR) branch of the integrated stress response (ISR). Metabolic profiling of PKD or control kidneys treated with Asns-ASO or Scr-ASO revealed major changes in the mutants, several of which are rescued by Asns silencing in vivo. Indeed, ASNS drives glutamine-dependent de novo pyrimidine synthesis and proliferation in cystic epithelia. Notably, while several metabolic pathways were completely corrected by Asns-ASO, glycolysis was only partially restored. Combining the glycolytic inhibitor 2DG with Asns-ASO further improved efficacy. Our studies identify a new therapeutic target and novel vulnerabilities in PKD.