A genome stability regulator integrates DNA repair and stress signaling pathways.

The naked mole rat (Heterocephalus glaber) displays exceptional longevity, with a maximum lifespan exceeding 30 years. This is the longest reported lifespan for a rodent species and is especially striking considering the small body mass of the naked mole rat. In comparison, a similarly sized house mouse has a maximum lifespan of 4 years. In addition to their longevity, naked mole rats show an unusual resistance to cancer. Multi-year observations of large naked mole-rat colonies did not detect a single incidence of cancer. Here we identify a mechanism responsible for the naked mole rat's cancer resistance. We found that naked mole-rat fibroblasts secrete extremely high-molecular-mass hyaluronan (HA), which is over five times larger than human or mouse HA. This high-molecular-mass HA accumulates abundantly in naked mole-rat tissues owing to the decreased activity of HA-degrading enzymes and a unique sequence of hyaluronan synthase 2 (HAS2). Furthermore, the naked mole-rat cells are more sensitive to HA signalling, as they have a higher affinity to HA compared with mouse or human cells. Perturbation of the signalling pathways sufficient for malignant transformation of mouse fibroblasts fails to transform naked mole-rat cells. However, once high-molecular-mass HA is removed by either knocking down HAS2 or overexpressing the HA-degrading enzyme, HYAL2, naked mole-rat cells become susceptible to malignant transformation and readily form tumours in mice. We speculate that naked mole rats have evolved a higher concentration of HA in the skin to provide skin elasticity needed for life in underground tunnels. This trait may have then been co-opted to provide cancer resistance and longevity to this species.

Dietary restriction (DR) without malnutrition encompasses numerous regimens with overlapping benefits including longevity and stress resistance, but unifying nutritional and molecular mechanisms remain elusive. In a mouse model of DR-mediated stress resistance, we found that sulfur amino acid (SAA) restriction increased expression of the transsulfuration pathway (TSP) enzyme cystathionine γ-lyase (CGL), resulting in increased hydrogen sulfide (H2S) production and protection from hepatic ischemia reperfusion injury. SAA supplementation, mTORC1 activation, or chemical/genetic CGL inhibition reduced H2S production and blocked DR-mediated stress resistance. In vitro, the mitochondrial protein SQR was required for H2S-mediated protection during nutrient/oxygen deprivation. Finally, TSP-dependent H2S production was observed in yeast, worm, fruit fly, and rodent models of DR-mediated longevity. Together, these data are consistent with evolutionary conservation of TSP-mediated H2S as a mediator of DR benefits with broad implications for clinical translation.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI1MGJkYjRmOTM3NDE2M2ZiMTg3ZmNjNmEyMDFhNTc1YiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5Mjk4MjMzfQ.V8qXdbtaLAT3ovDBzZSwwxndvK-UQfG2ejlge2oMFM_tYubmoEGGlBAYQsTC7a0ueef3tEtd05gRjhDyicPasVszlXUXyw-wV5ikYC4QBbj_u93mUWcqg9eyXciefhsfNvVvDGqWt2f_Z_0BqK4MybG_CJmg--1MtYcaGM1Z4FbuOg5aEGMTnL-8Eky9McpUsm1jeTPwmdbI3V80zN3J8DUvtueiO-ggVeZUOMbmwZvasuiT5FrLAe_R26rdZIsEjHz36wi6-kgT4otTJPuzJoyUnRRSmp3Uj3SyXoQNrZ7tJCdC69sztBCJ4c2vDD6jDJQFu9eJPNAAoFw4cx_wnA(mp4, (47.93 MB) Download video

Summary

 Calorie restriction (CR) is the most robust non-genetic intervention to delay aging. However, there are a number of emerging experimental variables that alter CR responses. We investigated the role of sex, strain, and level of CR on health and survival in mice. CR did not always correlate with lifespan extension, although it consistently improved health across strains and sexes. Transcriptional and metabolomics changes driven by CR in liver indicated anaplerotic filling of the Krebs cycle together with fatty acid fueling of mitochondria. CR prevented age-associated decline in the liver proteostasis network while increasing mitochondrial number, preserving mitochondrial ultrastructure and function with age. Abrogation of mitochondrial function negated life-prolonging effects of CR in yeast and worms. Our data illustrate the complexity of CR in the context of aging, with a clear separation of outcomes related to health and survival, highlighting complexities of translation of CR into human interventions.

The naked mole-rat is the longest living rodent with a maximum lifespan exceeding 28 years. In addition to its longevity, naked mole-rats have an extraordinary resistance to cancer as tumors have never been observed in these rodents. Furthermore, we show that a combination of activated Ras and SV40 LT fails to induce robust anchorage-independent growth in naked mole-rat cells, while it readily transforms mouse fibroblasts. The mechanisms responsible for the cancer resistance of naked mole-rats were unknown. Here we show that naked mole-rat fibroblasts display hypersensitivity to contact inhibition, a phenomenon we termed “early contact inhibition.” Contact inhibition is a key anticancer mechanism that arrests cell division when cells reach a high density. In cell culture, naked mole-rat fibroblasts arrest at a much lower density than those from a mouse. We demonstrate that early contact inhibition requires the activity of p53 and pRb tumor suppressor pathways. Inactivation of both p53 and pRb attenuates early contact inhibition. Contact inhibition in human and mouse is triggered by the induction of p27 Kip1 . In contrast, early contact inhibition in naked mole-rat is associated with the induction of p16 Ink4a . Furthermore, we show that the roles of p16 Ink4a and p27 Kip1 in the control of contact inhibition became temporally separated in this species: the early contact inhibition is controlled by p16 Ink4a , and regular contact inhibition is controlled by p27 Kip1 . We propose that the additional layer of protection conferred by two-tiered contact inhibition contributes to the remarkable tumor resistance of the naked mole-rat.

Angiogenesis, the formation of new blood vessels by endothelial cells (ECs), is an adaptive response to oxygen/nutrient deprivation orchestrated by vascular endothelial growth factor (VEGF) upon ischemia or exercise. Hypoxia is the best-understood trigger of VEGF expression via the transcription factor HIF1α. Nutrient deprivation is inseparable from hypoxia during ischemia, yet its role in angiogenesis is poorly characterized. Here, we identified sulfur amino acid restriction as a proangiogenic trigger, promoting increased VEGF expression, migration and sprouting in ECs in vitro, and increased capillary density in mouse skeletal muscle in vivo via the GCN2/ATF4 amino acid starvation response pathway independent of hypoxia or HIF1α. We also identified a requirement for cystathionine-γ-lyase in VEGF-dependent angiogenesis via increased hydrogen sulfide (H2S) production. H2S mediated its proangiogenic effects in part by inhibiting mitochondrial electron transport and oxidative phosphorylation, resulting in increased glucose uptake and glycolytic ATP production.

Abstract BACKGROUND Gaseous hydrogen sulfide (H2S), a by-product of cysteine metabolism, inhibits cancer cell behavior and growth in glioblastoma (GBM) models. H2S production capacity (HPC) is decreased in human GBM specimens compared to non-tumor controls. Thus, boosting HPC is a novel strategy for GBM treatment. Suppression of thyroid hormone signaling increases endogenous production of H2S. Hypothesis: hypothyroidism induced by methimazole will enhance the efficacy of chemotherapy in WHO grade 4 gliomas by increasing HPC within the tumor. Goal: proof of concept that methimazole, by reducing thyroid hormone signaling, can increase HPC in patients with WHO grade 4 gliomas (G4G). METHODS This window of opportunity trial evaluates safety, HPC in plasma and tumor, and efficacy of methimazole + chemotherapy in patients with progressive G4G. MAIN OBJECTIVE 10% increase in HPC and a 1.5-fold increase in peripheral blood sulfhydration signaling. Patients planned for a clinically-indicated resection receive pre-op (5-7 days) and post-op methimazole with the addition of investigator’s choice of chemotherapy 1 month after starting post op methimazole. Patients receive methimazole + chemotherapy until progression. Pre- and post-op plasma and resected tumor tissue are assayed for HPC and proteins relevant to H2S production. Key eligibility: progressive G4G for whom a clinically-indicated resection is planned; normal thyroid function with no history of thyroid dysfunction. Patients may have received unlimited prior regimens including bevacizumab. RESULTS To date 12 patients (8 male) median age 56 years enrolled, 3 of whom are in pre-op phase. Relative to age/sex matched control, post-methimazole plasma at all time points tested but not tumor HPC increased (minimum increase 56%, p 0.041). No grade 3-5 toxicities or significant changes in thyroid function tests. PFS6 0 for first 6 patients. CONCLUSIONS Induction of subclinical hypothyroidism is feasible and safe in recurrent GBM with significant increases in plasma but not tumor HPC. The protocol is being modified to increase methimazole doses and allow earlier addition (10 days) of post-op chemotherapy.

2044 Background: Gaseous hydrogen sulfide (H 2 S), a by-product of cysteine metabolism, inhibits the growth of glioblastoma (GBM) cells and impairs GBM progression in mice. Likewise, H 2 S generation and sulfhydration are decreased in human GBM specimens as compared to non-tumor controls. Thus, boosting H 2 S production is a novel strategy for GBM treatment. Suppression of thyroid hormone (TH) signaling increases endogenous production of H 2 S. We hypothesize that methimazole-induced hypothyroidism will enhance the efficacy of chemotherapy in WHO grade 4 gliomas by boosting H 2 S production capacity (HPC) within the tumor. The goal of this trial is to provide proof of concept that suppression of TH signaling, via methimazole and subsequent augmentation of H 2 S synthesis and signaling, is feasible in patients with WHO grade 4 gliomas (G4G). Methods: This modified phase 1/2 study evaluates the safety and efficacy of methimazole + chemotherapy with pharmacodynamic correlates in patients with progressive G4G. The main objective is a 10% increase in HPC and a 1.5-fold increase in peripheral blood sulfhydration signaling (SS). Patients who are planned for a clinically-indicated resection receive pre-op (5-7 days) and post-op methimazole with the addition of investigator’s choice of chemotherapy 1 month after starting post op methimazole. Patients receive methimazole + chemotherapy until progression. Resected tumor will be assayed for HPC and for proteins relevant to H 2 S production. Peripheral blood lead-acetate assays for HPC and SS are obtained at baseline, pre-op, intra-op, post-op, before the addition of chemotherapy, and before each cycle of methimazole + chemo. Key eligibility criteria: progressive G4G for whom a clinically-indicated resection is planned, and normal thyroid function with no history of thyroid disease. Patients may have had unlimited prior regimens including bevacizumab. Results: To date six patients (4 male) ages 49-59 years have enrolled. At all time points tested post-methimazole treatment relative to baseline age/sex matched no-methimazole control patients, there were significant increases in plasma H 2 S production capacity (table). Conclusions: In this early cohort, it appears methimazole treatment in recurrent GBM patients enhances HPC on a systemic level. Next steps will be to measure sulfide signaling and sulfhydration alterations in patient tumor samples. The protocol is being modified to allow earlier addition (2 weeks) of post-op chemotherapy. Clinical trial information: NCT05607407 . [Table: see text]

Glioblastoma (GBM) remains among the deadliest of human malignancies. The emergence of the cancer stem cell (CSC) phenotype represents a major challenge to disease management and durable treatment response. The extrinsic, environmental, and lifestyle factors that result in CSC enrichment are not well understood. The CSC state endows cells with a fluid metabolic profile, enabling the utilization of multiple nutrient sources. Therefore, to test the impact of diet on CSC enrichment, we evaluated disease progression in tumor-bearing mice fed an obesity-inducing high-fat diet (HFD) versus an energy-balanced, low-fat control diet. HFD consumption resulted in hyper-aggressive disease that was accompanied by CSC enrichment and shortened survival. HFD consumption also drove intracerebral accumulation of saturated fats, which in turn inhibited the production and signaling of the gasotransmitter hydrogen sulfide (H2S). H2S is an endogenously produced bio-active metabolite derived from sulfur amino acid catabolism. It functions principally through protein S-sulfhydration and regulates a variety of programs including mitochondrial bioenergetics and cellular metabolism. Inhibition of H2S synthesis resulted in increased proliferation and chemotherapy resistance, whereas treatment with H2S donors led to cytotoxicity and death of cultured GBM cells. Compared to non-cancerous controls, patient GBM specimens were reduced in overall protein S-sulfhydration, which was primarily lost from proteins regulating cellular metabolism. These findings support the hypothesis that diet-regulated H2S signaling serves to suppress GBM by restricting metabolic adaptability, while its loss triggers CSC enrichment and disease acceleration. Interventions augmenting H2S bioavailability concurrent with GBM standard of care may improve outcomes for GBM patients.One Sentence Summary Consumption of a high-fat diet (HFD) accelerates glioblastoma (GBM) by inhibiting the production and signaling of the tumor-suppressive metabolite hydrogen sulfide (H2S).

Hydrogen sulfide (H2S) is a cytoprotective redox-active metabolite that signals through protein sulfhydration (R-SSnH). Despite the known importance of sulfhydration on relatively few identified proteins, tissue-specific sulfhydrome profiles and their associated functions are not well characterized, specifically under conditions known to modulate H2S production. We hypothesized that dietary restriction (DR), which increases lifespan and boosts endogenous H2S production, expands functional tissue-specific sulfhydromes. Here, we found that 50% DR enriched total sulfhydrated proteins in liver, kidney, muscle, and brain but decreased these in heart of adult male mice. DR promoted sulfhydration in numerous metabolic and aging-related pathways. Mice lacking the H2S producing enzyme cystathionine γ-lyase (CGL) had decreased liver and kidney protein sulfhydration and failed to functionally augment their sulfhydrome in response to DR. Overall, we defined tissue- and CGL-dependent sulfhydromes and how diet transforms their makeup, underscoring the breadth for DR and H2S to impact biological processes and organismal health.