Remodeling of the tricarboxylic acid (TCA) cycle is a metabolic adaptation accompanying inflammatory macrophage activation. During this process, endogenous metabolites can adopt regulatory roles that govern specific aspects of inflammatory response, as recently shown for succinate, which regulates the pro-inflammatory IL-1β-HIF-1α axis. Itaconate is one of the most highly induced metabolites in activated macrophages, yet its functional significance remains unknown. Here, we show that itaconate modulates macrophage metabolism and effector functions by inhibiting succinate dehydrogenase-mediated oxidation of succinate. Through this action, itaconate exerts anti-inflammatory effects when administered in vitro and in vivo during macrophage activation and ischemia-reperfusion injury. Using newly generated Irg1−/− mice, which lack the ability to produce itaconate, we show that endogenous itaconate regulates succinate levels and function, mitochondrial respiration, and inflammatory cytokine production during macrophage activation. These studies highlight itaconate as a major physiological regulator of the global metabolic rewiring and effector functions of inflammatory macrophages.

AMPK is a metabolic sensor that helps maintain cellular energy homeostasis. Despite evidence linking AMPK with tumor suppressor functions, the role of AMPK in tumorigenesis and tumor metabolism is unknown. Here we show that AMPK negatively regulates aerobic glycolysis (the Warburg effect) in cancer cells and suppresses tumor growth in vivo. Genetic ablation of the α1 catalytic subunit of AMPK accelerates Myc-induced lymphomagenesis. Inactivation of AMPKα in both transformed and nontransformed cells promotes a metabolic shift to aerobic glycolysis, increased allocation of glucose carbon into lipids, and biomass accumulation. These metabolic effects require normoxic stabilization of the hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α), as silencing HIF-1α reverses the shift to aerobic glycolysis and the biosynthetic and proliferative advantages conferred by reduced AMPKα signaling. Together our findings suggest that AMPK activity opposes tumor development and that its loss fosters tumor progression in part by regulating cellular metabolic pathways that support cell growth and proliferation.

During immune challenge, T lymphocytes engage pathways of anabolic metabolism to support clonal expansion and the development of effector functions. Here we report a critical role for the non-essential amino acid serine in effector T cell responses. Upon activation, T cells upregulate enzymes of the serine, glycine, one-carbon (SGOC) metabolic network, and rapidly increase processing of serine into one-carbon metabolism. We show that extracellular serine is required for optimal T cell expansion even in glucose concentrations sufficient to support T cell activation, bioenergetics, and effector function. Restricting dietary serine impairs pathogen-driven expansion of T cells in vivo, without affecting overall immune cell homeostasis. Mechanistically, serine supplies glycine and one-carbon units for de novo nucleotide biosynthesis in proliferating T cells, and one-carbon units from formate can rescue T cells from serine deprivation. Our data implicate serine as a key immunometabolite that directly modulates adaptive immunity by controlling T cell proliferative capacity.

Naive CD8+ T cells differentiating into effector T cells increase glucose uptake and shift from quiescent to anabolic metabolism. Although much is known about the metabolism of cultured T cells, how T cells use nutrients during immune responses in vivo is less well defined. Here, we combined bioenergetic profiling and 13C-glucose infusion techniques to investigate the metabolism of CD8+ T cells responding to Listeria infection. In contrast to in vitro-activated T cells, which display hallmarks of Warburg metabolism, physiologically activated CD8+ T cells displayed greater rates of oxidative metabolism, higher bioenergetic capacity, differential use of pyruvate, and prominent flow of 13C-glucose carbon to anabolic pathways, including nucleotide and serine biosynthesis. Glucose-dependent serine biosynthesis mediated by the enzyme Phgdh was essential for CD8+ T cell expansion in vivo. Our data highlight fundamental differences in glucose use by pathogen-specific T cells in vivo, illustrating the impact of environment on T cell metabolic phenotypes.

Cancer cells adapt metabolically to proliferate under nutrient limitation. Here we used combined transcriptional-metabolomic network analysis to identify metabolic pathways that support glucose-independent tumor cell proliferation. We found that glucose deprivation stimulated re-wiring of the tricarboxylic acid (TCA) cycle and early steps of gluconeogenesis to promote glucose-independent cell proliferation. Glucose limitation promoted the production of phosphoenolpyruvate (PEP) from glutamine via the activity of mitochondrial PEP-carboxykinase (PCK2). Under these conditions, glutamine-derived PEP was used to fuel biosynthetic pathways normally sustained by glucose, including serine and purine biosynthesis. PCK2 expression was required to maintain tumor cell proliferation under limited-glucose conditions in vitro and tumor growth in vivo. Elevated PCK2 expression is observed in several human tumor types and enriched in tumor tissue from non-small-cell lung cancer (NSCLC) patients. Our results define a role for PCK2 in cancer cell metabolic reprogramming that promotes glucose-independent cell growth and metabolic stress resistance in human tumors.

Significance Liver kinase B1 (LKB1) is a serine/threonine kinase often inactivated in human cancer. We demonstrate here that loss of LKB1 expression in cancer cells promotes a progrowth metabolic profile that enables increased cell growth and proliferation. Loss of LKB1 promotes increased tumor cell metabolism through mammalian target of rapamycin complex 1- and reactive oxygen species-dependent increases in hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α). LKB1-null cells are dependent on HIF-1α to maintain cellular ATP and viability under poor nutrient conditions, raising the possibility of targeting HIF-1α for synthetic lethality in LKB1-deficient tumors. Together, our data reveal that regulation of cellular metabolism is a key function of LKB1 that may contribute to its tumor-suppressor function in human cancer.

Glutamate decarboxylase 1 (GAD1) is best known for its role in producing the neurotransmitter γ-amino butyric acid (GABA) as part of the “GABA shunt” metabolic pathway, an alternative mechanism of glutamine anaplerosis for TCA cycle metabolism (Yogeeswari et al., 2005). However, understanding of the metabolic function of GAD1 in non-neuronal tissues has remained limited. Here, we show that GAD1 supports cancer cell proliferation independent of the GABA shunt. Despite its elevated expression in lung cancer tissue, GAD1 is not engaged in the GABA shunt in proliferating non-small cell lung cancer (NSCLC) cells, but rather is required for regulating amino acid homeostasis. Silencing GAD1 promotes a broad deficiency in amino acid uptake, leading to reduced glutamine-dependent TCA cycle metabolism and defects in serum- and amino acid-stimulated mTORC1 activation. Mechanistically, GAD1 regulates amino acid uptake through ATF4-dependent amino acid transporter expression including SLC7A5 (LAT1), an amino acid transporter required for branched chain amino acid (BCAA) uptake. Overexpression of LAT1 rescues the proliferative and mTORC1 signalling defects of GAD1-deficient tumor cells. Our results, therefore, define a non-canonical role for GAD1, independent of its characterised role in GABA metabolism, whereby GAD1 regulates amino acid homeostasis to maintain tumor cell proliferation.