It is unclear how cancer cells coordinate glycolysis and biosynthesis to support rapidly growing tumors. We found that the glycolytic enzyme phosphoglycerate mutase 1 (PGAM1), commonly upregulated in human cancers due to loss of TP53, contributes to biosynthesis regulation in part by controlling intracellular levels of its substrate, 3-phosphoglycerate (3-PG), and product, 2-phosphoglycerate (2-PG). 3-PG binds to and inhibits 6-phosphogluconate dehydrogenase in the oxidative pentose phosphate pathway (PPP), while 2-PG activates 3-phosphoglycerate dehydrogenase to provide feedback control of 3-PG levels. Inhibition of PGAM1 by shRNA or a small molecule inhibitor PGMI-004A results in increased 3-PG and decreased 2-PG levels in cancer cells, leading to significantly decreased glycolysis, PPP flux and biosynthesis, as well as attenuated cell proliferation and tumor growth.

Cancer cells are typically subject to profound metabolic alterations, including the Warburg effect wherein cancer cells oxidize a decreased fraction of the pyruvate generated from glycolysis. We show herein that the mitochondrial pyruvate carrier (MPC), composed of the products of the MPC1 and MPC2 genes, modulates fractional pyruvate oxidation. MPC1 is deleted or underexpressed in multiple cancers and correlates with poor prognosis. Cancer cells re-expressing MPC1 and MPC2 display increased mitochondrial pyruvate oxidation, with no changes in cell growth in adherent culture. MPC re-expression exerted profound effects in anchorage-independent growth conditions, however, including impaired colony formation in soft agar, spheroid formation, and xenograft growth. We also observed a decrease in markers of stemness and traced the growth effects of MPC expression to the stem cell compartment. We propose that reduced MPC activity is an important aspect of cancer metabolism, perhaps through altering the maintenance and fate of stem cells.

Glutaminase controls the first step in glutaminolysis, impacting bioenergetics, biosynthesis and oxidative stress. Two isoenzymes exist in humans, GLS and GLS2. GLS is considered prooncogenic and overexpressed in many tumours, while GLS2 may act as prooncogenic or as a tumour suppressor. Glioblastoma cells usually lack GLS2 while they express high GLS. We investigated how GLS2 expression modifies the metabolism of glioblastoma cells, looking for changes that may explain GLS2’s potential tumour suppressive role. We developed LN-229 glioblastoma cells stably expressing GLS2 and performed isotope tracing using U-13C-glutamine and metabolomic quantification to analyze metabolic changes. Treatment with GLS inhibitor CB-839 was also included to concomitantly inhibit endogenous GLS. GLS2 overexpression resulted in extensive metabolic changes, altering the TCA cycle by upregulating part of the cycle but blocking the synthesis of the 6-carbon intermediates from acetyl-CoA. Expression of GLS2 caused downregulation of PDH activity through phosphorylation of S293 of PDHA1. GLS2 also altered nucleotide levels and induced the accumulation of methylated metabolites and S-adenosyl methionine. These changes suggest that GLS2 may be a key regulator linking glutamine and glucose metabolism, also impacting nucleotides and epigenetics. Future research should ascertain the mechanisms involved and the generalizability of these findings in cancer or physiological conditions.