Cells must duplicate their mass in order to proliferate. Glucose and glutamine are the major nutrients consumed by proliferating mammalian cells, but the extent to which these and other nutrients contribute to cell mass is unknown. We quantified the fraction of cell mass derived from different nutrients and found that the majority of carbon mass in cells is derived from other amino acids, which are consumed at much lower rates than glucose and glutamine. While glucose carbon has diverse fates, glutamine contributes most to protein, suggesting that glutamine's ability to replenish tricarboxylic acid cycle intermediates (anaplerosis) is primarily used for amino acid biosynthesis. These findings demonstrate that rates of nutrient consumption are indirectly associated with mass accumulation and suggest that high rates of glucose and glutamine consumption support rapid cell proliferation beyond providing carbon for biosynthesis.

Activated T cells differentiate into functional subsets with distinct metabolic programs. Glutaminase (GLS) converts glutamine to glutamate to support the tricarboxylic acid cycle and redox and epigenetic reactions. Here, we identify a key role for GLS in T cell activation and specification. Though GLS deficiency diminished initial T cell activation and proliferation and impaired differentiation of Th17 cells, loss of GLS also increased Tbet to promote differentiation and effector function of CD4 Th1 and CD8 CTL cells. This was associated with altered chromatin accessibility and gene expression, including decreased PIK3IP1 in Th1 cells that sensitized to IL-2-mediated mTORC1 signaling. In vivo, GLS null T cells failed to drive Th17-inflammatory diseases, and Th1 cells had initially elevated function but exhausted over time. Transient GLS inhibition, however, led to increased Th1 and CTL T cell numbers. Glutamine metabolism thus has distinct roles to promote Th17 but constrain Th1 and CTL effector cell differentiation.

T cells undergo metabolic reprogramming after they are activated. Rathmell and colleagues show that inflammatory Toll-like receptor signals induce glycolysis and impair the suppression of regulatory T cells, but Foxp3 can promote a switch to oxidative phosphorylation and suppression. CD4+ effector T cells (Teff cells) and regulatory T cells (Treg cells) undergo metabolic reprogramming to support proliferation and immunological function. Although signaling via the lipid kinase PI(3)K (phosphatidylinositol-3-OH kinase), the serine-threonine kinase Akt and the metabolic checkpoint kinase complex mTORC1 induces both expression of the glucose transporter Glut1 and aerobic glycolysis for Teff cell proliferation and inflammatory function, the mechanisms that regulate Treg cell metabolism and function remain unclear. We found that Toll-like receptor (TLR) signals that promote Treg cell proliferation increased PI(3)K-Akt-mTORC1 signaling, glycolysis and expression of Glut1. However, TLR-induced mTORC1 signaling also impaired Treg cell suppressive capacity. Conversely, the transcription factor Foxp3 opposed PI(3)K-Akt-mTORC1 signaling to diminish glycolysis and anabolic metabolism while increasing oxidative and catabolic metabolism. Notably, Glut1 expression was sufficient to increase the number of Treg cells, but it reduced their suppressive capacity and Foxp3 expression. Thus, inflammatory signals and Foxp3 balance mTORC1 signaling and glucose metabolism to control the proliferation and suppressive function of Treg cells.

The unique metabolic demands of cancer cells underscore potentially fruitful opportunities for drug discovery in the era of precision medicine. However, therapeutic targeting of cancer metabolism has led to surprisingly few new drugs to date. The neutral amino acid glutamine serves as a key intermediate in numerous metabolic processes leveraged by cancer cells, including biosynthesis, cell signaling, and oxidative protection. Herein we report the preclinical development of V-9302, a competitive small molecule antagonist of transmembrane glutamine flux that selectively and potently targets the amino acid transporter ASCT2. Pharmacological blockade of ASCT2 with V-9302 resulted in attenuated cancer cell growth and proliferation, increased cell death, and increased oxidative stress, which collectively contributed to antitumor responses in vitro and in vivo. This is the first study, to our knowledge, to demonstrate the utility of a pharmacological inhibitor of glutamine transport in oncology, representing a new class of targeted therapy and laying a framework for paradigm-shifting therapies targeting cancer cell metabolism.