Aerobic glycolysis, or preferential fermentation of glucose-derived pyruvate to lactate despite available oxygen, is associated with proliferation across many organisms and conditions. To better understand that association, we examined the metabolic consequence of activating the pyruvate dehydrogenase complex (PDH) to increase pyruvate oxidation at the expense of fermentation. We find that increasing PDH activity impairs cell proliferation by reducing the NAD+/NADH ratio. This change in NAD+/NADH is caused by increased mitochondrial membrane potential that impairs mitochondrial electron transport and NAD+ regeneration. Uncoupling respiration from ATP synthesis or increasing ATP hydrolysis restores NAD+/NADH homeostasis and proliferation even when glucose oxidation is increased. These data suggest that when demand for NAD+ to support oxidation reactions exceeds the rate of ATP turnover in cells, NAD+ regeneration by mitochondrial respiration becomes constrained, promoting fermentation, despite available oxygen. This argues that cells engage in aerobic glycolysis when the demand for NAD+ is in excess of the demand for ATP.

Abstract Aerobic glycolysis, or preferential fermentation of glucose-derived pyruvate to lactate despite available oxygen, is a hallmark of proliferative metabolism that is observed across many organisms and conditions. To better understand why aerobic glycolysis is associated with cell proliferation, we examined the metabolic consequence of activating the pyruvate dehydrogenase complex (PDH) to increase mitochondrial pyruvate oxidation at the expense of fermentation. We find that increasing PDH activity impairs cell proliferation by reducing the nicotinamide adenine dinucleotide cofactor ratio (NAD+/NADH). This change in NAD+/NADH ratio is caused by an increase in mitochondrial membrane potential that impairs mitochondrial electron transport and NAD+ regeneration. Uncoupling mitochondrial respiration from ATP synthesis or increasing ATP hydrolysis restores NAD+/NADH homeostasis and proliferation even when glucose oxidation is increased. These data suggest that when the demand for NAD+ to support oxidation reactions exceeds the demand for ATP consumption in cells, NAD+ regeneration by mitochondrial respiration becomes constrained, promoting fermentation despite available oxygen. This argues that cells engage in aerobic glycolysis when the cellular demand for NAD+ is in excess of the cellular demand for ATP.

Dietary interventions can change metabolite levels in the tumor microenvironment, which may then affect cancer cell metabolism to alter tumor growth. Although caloric restriction (CR) and the ketogenic diet (KD) are often thought to inhibit tumor growth through lowering blood glucose and insulin levels, only CR inhibits the growth of pancreatic ductal adenocarcinoma allografts in mice, demonstrating that this diet can limit tumor growth in other ways. A change in nutrient availability observed with CR, but not the KD, that can contribute to tumor growth inhibition is lower lipid levels in the plasma and in tumor interstitial fluid. Limiting exogenous lipid availability to cultured cancer cells results in up-regulation of stearoyl-CoA desaturase (SCD), an enzyme that converts saturated fatty acids to monounsaturated fatty acids. Fatty acid desaturation is required to dispose of toxic saturated fatty acids, and not because monounsaturated fatty acids are specifically needed for proliferation. Surprisingly, CR also inhibits tumor SCD activity, and enforced SCD expression confers resistance to the effects of CR. Therefore, CR both limits lipid availability and impairs tumor SCD activity, thereby limiting cancer cell adaptation to a diet-induced change in the tumor microenvironment that results in tumor growth inhibition.

Rapidly proliferating cells, including cancer cells, adapt metabolism to meet the increased energetic and biosynthetic demands of cell growth and division. Many rapidly proliferating cells exhibit increased glucose consumption and fermentation regardless of oxygen availability, a phenotype termed aerobic glycolysis or the Warburg effect in cancer. Several explanations for why cells engage in aerobic glycolysis and how it supports proliferation have been proposed, but none can fully explain all conditions and data where aerobic glycolysis is observed. Nevertheless, there is convincing evidence that the Warburg effect is important for the proliferation of many cancers, and that inhibiting either glucose uptake or fermentation can impair tumor growth. Here, we discuss what is known about metabolism associated with aerobic glycolysis and the evidence supporting various explanations for why aerobic glycolysis may be important in cancer and other contexts.

Tumors are composed of many different cell types including cancer cells, fibroblasts, and immune cells. Dissecting functional metabolic differences between various cell types within a mixed population can be limited by the rapid turnover of metabolites relative to the time needed to isolate cells. To overcome this challenge, we traced isotope-labeled nutrients into macromolecules that turn over more slowly than metabolites. This approach was used to assess differences between cancer cell and fibroblast metabolism in pancreatic cancer organoid-fibroblast co-cultures and in pancreatic tumors. In these contexts, we find pancreatic cancer cells exhibit increased pyruvate carboxylation relative to fibroblasts, and that this flux depends on both pyruvate carboxylase and malic enzyme 1 activity. Consequently, expression of both enzymes in cancer cells is necessary for organoid and tumor growth, demonstrating that dissecting the metabolism of specific cell populations within heterogeneous systems can identify dependencies that may not be evident from studying isolated cells in culture or bulk tumor tissue.

Background Gastrointestinal cancer is a significant cause of cancer incidence and mortality. Nevertheless, the epidemiology of the burden among adolescents and young adults (AYAs, aged 15–39 years) remains limited in the Asia-Pacific region, despite the region's significant population. This study aims to explore the gastrointestinal cancer burden among AYAs in the Asia-Pacific region for the year 2019, while also analysing trends from 1990 to 2019 and projecting future trends up to 2044.