VEGFR2 expression induces metabolic rewiring in melanoma

Melanoma displays a high degree of metabolic plasticity, enabling tumor cells to dynamically adapt to microenvironmental conditions and sustain growth, survival, and therapeutic resistance. Although metabolic rewiring is a hallmark of melanoma, the mechanisms governing carbon distribution across metabolic pathways remain largely unresolved. Receptor tyrosine kinases (RTKs) are key regulators of tumor behavior, integrating extracellular cues with intracellular programs controlling proliferation, survival, and metabolism. Among these, VEGFR2 is expressed in tumor cells and has been implicated in the regulation of cancer metabolism. Pan-cancer analyses have identified multiple VEGFR2 mutations that, through distinct mechanisms, support and promote tumor growth. Nevertheless, their functional impact on the metabolic networks in melanoma cells is still poorly defined. In this study, we investigated how aberrant VEGFR2 signaling, driven either by receptor overexpression or by the R1032Q mutation, reshapes metabolic responses under basal and stress conditions. By integrating transcriptomic and metabolomic analyses with functional cellular assays, we demonstrate that VEGFR2 expression is sufficient to induce widespread metabolic rewiring. Using 13C6-glucose and 13C5-glutamine tracing, we quantified the carbon flux distribution across intracellular and extracellular metabolites. Indeed, VEGFR2 activation increased amino acid utilization, enhanced tricarboxylic acid (TCA) cycle activity, and promoted anabolic metabolism. This metabolic rewiring is more pronounced in cells harboring the R1032Q variant, consistent with a more anabolic and tumor-promoting phenotype. Specifically, glucose-derived carbon was preferentially directed toward the TCA cycle and downstream biosynthetic pathways, rather than retained in glycolytic intermediates. In parallel, glutamine exhibited substantial incorporation into TCA cycle intermediates, accompanied by elevated secretion of labeled metabolites. Furthermore, VEGFR2R1032Q expressing cells exhibited reduced serine biosynthesis. Despite this, these cells displayed an increased dependence on exogenous serine under stress conditions, such as amino acid imbalance or deprivation. Serine supplementation enhanced proliferation, whereas its deprivation impaired growth, modulated amino acid transporter expression, and directed glucose flux towards the serine biosynthesis pathway. Targeting key metabolic nodes within the serine synthesis pathway, including serine hydroxymethyltransferase (SHMT) activity and glutamine transport mediated by the SLC1A5 transporter, significantly affected proliferation and cell motility. In particular, SLC1A5 silencing induced a compensatory metabolic rewiring, increasing glucose flux toward one-carbon metabolism to sustain anabolic processes under glutamine limitation. These findings indicated an enhanced metabolic adaptability in cells expressing aberrant VEGFR2. Collectively, our results uncover specific metabolic vulnerabilities associated with VEGFR2-driven metabolic reprogramming, highlighting potential targeted therapeutic strategies for melanoma. This study provides new insights into the interplay between oncogenic signaling and metabolic rewiring, and elucidates the role of VEGFR2 mutations in shaping melanoma metabolism.

Il melanoma è caratterizzato da un’elevata plasticità metabolica che consente alle cellule tumorali di adattarsi dinamicamente alle condizioni del microambiente e di sostenere la crescita, la sopravvivenza e la resistenza terapeutica. Tuttavia, i meccanismi che regolano la distribuzione del carbonio tra i diversi pathway metabolici rimangono in gran parte non definiti. I recettori tirosin-chinasici (RTK) rappresentano regolatori chiave integrando segnali extracellulari con programmi intracellulari di proliferazione, sopravvivenza e metabolismo. In particolare, il recettore VEGFR2, espresso dalle cellule tumorali è stato associato alla regolazione del metabolismo tumorale. Un’analisi Pan cancer ha evidenziato diverse mutazioni per questo recettore che con meccanismi diversi supportano e promuovono la crescita tumorale. Tuttavia, l’impatto funzionale di queste varianti mutazionali sulla regolazione dei network metabolici in cellule di melanoma è ancora poco definito. In questo studio abbiamo quindi analizzato come la segnalazione aberrante di VEGFR2, guidata dalla sua overespressione o dalla presenza della mutazione R1032Q, possa alterare la risposta metabolica in condizioni basali o di stress. Integrando analisi trascrittomiche e metabolomiche con saggi cellulari funzionali suggeriamo che la sola espressione di VEGFR2 induce una significativa alterazione di molteplici pathway metabolici. Mediante esperimenti di tracciamento con 13C6-glucosio e 13C5-glutammina abbiamo quantificato la distribuzione dei flussi di carbonio nei metaboliti intracellulari ed extracellulari. I dati hanno mostrato come l’attivazione di VEGFR2 comporti un aumento dell'utilizzo degli amminoacidi, un potenziamento del ciclo di Krebs e un’elevata attività biosintetica. Questa riorganizzazione è più evidente nelle cellule esprimenti la variante R1032Q, coerentemente con un fenotipo metabolico più anabolico e pro-tumorigenico. In particolare, il glucosio contribuisce maggiormente al ciclo di Krebs e alle vie biosintetiche a valle, piuttosto che trattenuto negli intermedi glicolitici a monte. Parallelamente, la glutammina mostra una significativa incorporazione negli intermedi del ciclo di Krebs, accompagnata da un aumentato rilascio di metaboliti marcati nel compartimento extracellulare. Le cellule esprimenti VEGFR2R1032Q mostrano una ridotta biosintesi della serina, e una maggiore dipendenza dalla stessa in condizioni di stress, come lo squilibrio o la privazione di amminoacidi. La supplementazione di serina aumenta la proliferazione delle cellule esprimenti VEGFR2R1032Q, mentre la deprivazione ne riduce la crescita, regola i trasportatori amminoacidici e modifica il metabolismo direzionando il flusso del glucosio verso il pathway della serina biosintesi. La perturbazione di nodi metabolici di questo pathway, tra cui l’attività della serina idrossimetiltransferasi (SHMT) e il trasporto della glutammina dipendente dal trasportatore SLC1A5 riduce la proliferazione e motilità cellulare. Il silenziamento di SLC1A5 induce una riprogrammazione metabolica compensatoria del glucosio verso il metabolismo “one carbon”, per sostenere le richieste biosintetiche in condizioni di ridotta disponibilità di glutammina. Questi dati sottolineano una maggior capacità compensatoria delle cellule con un’attivazione aberrante di VEGFR2. Complessivamente, questi risultati mettono in luce specifiche vulnerabilità metaboliche associate alla riprogrammazione indotta da VEGFR2 e suggeriscono potenziali strategie terapeutiche per il melanoma. Questo studio contribuisce quindi a chiarire il legame tra segnalazione oncogenica e riprogrammazione metabolica, fornendo nuove evidenze sul ruolo delle mutazioni di VEGFR2 nel determinare l’assetto metabolico del melanoma.