Obesity is a major risk factor for insulin resistance and type 2 diabetes. In adipose tissue, obesity-mediated insulin resistance correlates with the accumulation of proinflammatory macrophages and inflammation. However, the causal relationship of these events is unclear. Here, we report that obesity-induced insulin resistance in mice precedes macrophage accumulation and inflammation in adipose tissue. Using a mouse model that combines genetically induced, adipose-specific insulin resistance (mTORC2-knockout) and diet-induced obesity, we found that insulin resistance causes local accumulation of proinflammatory macrophages. Mechanistically, insulin resistance in adipocytes results in production of the chemokine monocyte chemoattractant protein 1 (MCP1), which recruits monocytes and activates proinflammatory macrophages. Finally, insulin resistance (high homeostatic model assessment of insulin resistance [HOMA-IR]) correlated with reduced insulin/mTORC2 signaling and elevated MCP1 production in visceral adipose tissue from obese human subjects. Our findings suggest that insulin resistance in adipose tissue leads to inflammation rather than vice versa.

Dysregulated mammalian target of rapamycin (mTOR) promotes cancer, but underlying mechanisms are poorly understood. We describe an mTOR-driven mouse model that displays hepatosteatosis progressing to hepatocellular carcinoma (HCC). Longitudinal proteomic, lipidomics, and metabolomic analyses revealed that hepatic mTORC2 promotes de novo fatty acid and lipid synthesis, leading to steatosis and tumor development. In particular, mTORC2 stimulated sphingolipid (glucosylceramide) and glycerophospholipid (cardiolipin) synthesis. Inhibition of fatty acid or sphingolipid synthesis prevented tumor development, indicating a causal effect in tumorigenesis. Increased levels of cardiolipin were associated with tubular mitochondria and enhanced oxidative phosphorylation. Furthermore, increased lipogenesis correlated with elevated mTORC2 activity and HCC in human patients. Thus, mTORC2 promotes cancer via formation of lipids essential for growth and energy production.

Highly glycolytic cancer cells prevent intracellular acidification by excreting the glycolytic end-products lactate and H+ via the monocarboxylate transporters 1 (MCT1) and 4 (MCT4). We report that syrosingopine, an anti-hypertensive drug, is a dual MCT1 and MCT4 inhibitor (with 60-fold higher potency on MCT4) that prevents lactate and H+ efflux. Syrosingopine elicits synthetic lethality with metformin, an inhibitor of mitochondrial NADH dehydrogenase. NAD+, required for the ATP-generating steps of glycolysis, is regenerated from NADH by mitochondrial NADH dehydrogenase or lactate dehydrogenase. Syrosingopine treatment leads to high intracellular lactate levels and thereby end-product inhibition of lactate dehydrogenase. The loss of NAD+ regeneration capacity due to combined metformin and syrosingopine treatment results in glycolytic blockade, leading to ATP depletion and cell death. Accordingly, ATP levels can be partly restored by exogenously provided NAD+, the NAD precursor nicotinamide mononucleotide (NMN), or vitamin K2. Thus, pharmacological inhibition of MCT1 and MCT4 combined with metformin treatment is a potential cancer therapy.

SUMMARY We performed a proteogenomic analysis of hepatocellular carcinomas (HCCs) across clinical stages and etiologies. We identified pathways differentially regulated on the genomic, transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic levels. These pathways are involved in the organization of cellular components, cell cycle control, signaling pathways, transcriptional and translational control and metabolism. Analyses of CNA-mRNA and mRNA-protein correlations identified candidate driver genes involved in epithelial-to-mesenchymal transition, the Wnt-β-catenin pathway, transcriptional control, cholesterol biosynthesis and sphingolipid metabolism. The activity of targetable kinases aurora kinase A and CDKs was upregulated. We found that CTNNB1 mutations are associated with altered phosphorylation of proteins involved in actin filament organization, whereas TP53 mutations are associated with elevated CDK1/2/5 activity and altered phosphorylation of proteins involved in lipid and mRNA metabolism. Integrative clustering identified HCC subgroups with distinct regulation of biological processes, metabolic reprogramming and kinase activation. Our analysis provides insights into the molecular processes underlying HCCs.

Abstract Arginine auxotropy, due to reduced expression of urea cycle genes, is common in cancer. However, little is known about the levels of arginine in these cancers. Here, we report that arginine levels are elevated in hepatocellular carcinoma (HCC) despite reduced expression of urea cycle enzymes. Liver tumors accumulate high levels specifically of arginine via increased uptake and, more importantly, via suppression of arginine-to-polyamine conversion due to reduced arginase 1 (ARG1) and agmatinase (AGMAT) expression. Furthermore, the high levels of arginine are required for tumor growth. Mechanistically, high levels of arginine promote tumorigenesis via transcriptional regulation of metabolic genes, including upregulation of asparagine synthetase (ASNS). ASNS-derived asparagine further enhances arginine uptake, creating a positive feedback loop to sustain high arginine levels and oncogenic metabolism. Thus, arginine is a novel second messenger-like molecule that reprograms metabolism to promote tumor growth.

Adipose tissue, via sympathetic and sensory neurons, communicates with the central nervous system (CNS) to mediate energy homeostasis. In contrast to the sympathetic nervous system, the morphology, role and regulation of the sensory nervous system in adipose tissue is poorly characterized. Taking advantage of recent progress in whole-mount three-dimensional imaging of adipose tissue, we identified a neuronal network of calcitonin gene-related protein (CGRP)-positive sensory neurons in white adipose tissue (WAT). Furthermore, we show that adipose mammalian target of rapamycin complex 2 (mTORC2), a major component of the insulin signaling pathway, mediates sensory innervation in WAT. Based on visualization of neuronal networks, mTORC2-deficient WAT displayed reduced arborization of (CGRP)-positive sensory neurons, while sympathetic neurons were unaffected. This selective loss of sensory innervation followed reduced expression of growth-associated protein 43 (GAP43) in CGRP-positive sensory neurons. Finally, we found that loss of sensory innervation in WAT correlated with systemic insulin resistance. Our findings suggest that adipose mTORC2 is necessary for sensory innervation in WAT which likely contributes to WAT-to-CNS communication.

Constitutively active intracellular signaling drives and sustains cancer growth. The mTOR kinase integrates multiple inputs sensing nutrient, energy and growth factor levels to promote protein synthesis and anabolic metabolism, and is hyperactivated in a broad range of cancers. The bcr-abl kinase is a fusion protein generated by chromosomal translocation and gives rise to chronic myeloid leukemia and a small sub-set of leukemias. Using an in vitro transformed murine cell model, we performed shRNA knockdown of 25 genes previously shown to be essential for mTOR dependent oncogenic growth and survival. None of the genes were essential in the bcr-abl transformed line. Interrogation of this gene set in human cancer cell lines revealed that many of these genes were essential in cells dependent on mTOR signaling (defined by sensitivity to pharmacological mTOR inhibition). However, none of the genes were essential in bcr-abl transformed K562 cells that are insensitive to mTOR inhibition. Thus there is a clear divide between cells transformed via bcr-abl directed oncogenesis and other modes of transformation where mTOR, due to its central role in regulating cell growth and metabolism, is recruited as part of an oncogenic program. These validated hits represent a set of genes essential for executing critical functions downstream of mTOR and may be novel therapeutic targets for cancer.