Ciblage thérapeutique d'AMPK dans les leucémies aiguës myéloïdes

AMPK is a therapeutic target in acute meloid leukemias

• Auteur / Autrice : Pierre Sujobert
• Direction : Jérôme Tamburini-Bonnefoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hématologie et oncologie
• Date : Soutenance le 20/11/2014
• Etablissement(s) : Paris 5
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie et biotechnologie (Paris ; 1997-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Cochin
• Jury : Président / Présidente : Jean Soulier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Tamburini-Bonnefoy, Jean Soulier, Patrick Auberger, Frédéric Bost, Mario Pende, Patrice Dubreuil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Auberger, Frédéric Bost

Mots clés

Mots clés contrôlés

AMP kinase

Leucémie aigüe myéloïde

Mots clés libres

Leucémie aigue myéloïde

LAM

AMPK

MTORC1

Létalité synthétique

Autophagie

Voie de réponse intégrée au stress

ATF4

EIF2A

PERK

Acute myeloid leukemia

AML

AMPK

MTORC1

Synthetic letality

Autophagy

Integrated stress response

ATF4

EIF2A

PERK

Résumé

Les leucémies aiguës myéloïdes (LAM) représentent un groupe d’hémopathies malignes agressives, de pronostic sombre en dépit des traitements intensifs actuellement proposés. Malgré une grande hétérogénéité clinique et moléculaire, les cellules de LAM sont caractérisées par l’activation de voies de signalisation essentielles à leur prolifération et leur survie, comme par exemple celle du complexe mTORC1 (mammalian target of rapamycin complex 1). Cependant, l’utilisation clinique d’inhibiteurs tels que la rapamycine ou des inhibiteurs catalytiques s’est avérée décevante, ce qui suggère qu’il n’y a pas d’addiction oncogénique à mTORC1 dans les LAM. Au cours de ce travail, nous avons démontré que l’activation de mTORC1 est au contraire une condition nécessaire à l’induction de la mort cellulaire en réponse à l’activation d’AMPK (AMP-activated protein kinase), établissant une relation de létalité synthétique entre ces deux voies. Pour cela, nous avons utilisé un nouveau composé activateur spécifique d’AMPK, le GSK621. En invalidant la sous-unité catalytique AMPKα1 par ARN interférence ou par le système CRISPR/Cas9, nous avons démontré que les effets antileucémiques de ce composé sont bien dépendants de l’activation d’AMPK. Nous avons observé que ce composé favorise l’autophagie, et que ce processus est impliqué dans la mort des cellules leucémiques puisque l’inhibition des protéines ATG5 ou ATG7 a un effet protecteur sur les cellules leucémiques. Les effets antileucémiques du composé GSK621 ont été confirmés sur des cellules primaires, ainsi que sur un panel de vingt lignées de LAM, et dans un modèle murin de xénogreffe. De façon intéressante, l’activation d’AMPK pourrait également compromettre la survie des cellules souches leucémiques, comme en atteste l’atténuation du potentiel clonogénique en méthylcellulose de cellules murines transformées par MLL-ENL ou FLT3-ITD. Nous avons observé que le composé GSK 621 n’avait pas de toxicité envers les progéniteurs hématopoïétiques normaux, ouvrant ainsi une fenêtre thérapeutique intéressante. Comme l’activation d’AMPK conduit dans de nombreux modèles cellulaires à l’inhibition de mTORC1, et comme l’activation de mTORC1 est observée dans les cellules de LAM mais pas dans les progéniteurs hématopoïétiques normaux, nous avons proposé l’hypothèse que le niveau d’activation de mTORC1 déterminait les effets de l’activateur d’AMPK. Pour cela, nous avons inhibé mTORC1 dans les cellules leucémiques d’une part, et activé mTORC1 dans les progéniteurs normaux d’autre part. De façon inattendue, mTORC1 échappe au contrôle d’AMPK dans les LAM, et nous avons observé que l’activation de mTORC1 est une condition nécessaire et suffisante pour que le composé GSK621 entraîne la mort des cellules. Le substrat moléculaire de cette létalité synthétique est le facteur de transcription proapoptotique ATF4, dont la transcription est favorisée par mTORC1, et la traduction par AMPK via la phosphorylation d’eIF2A. Ces travaux proposent donc que malgré l’absence d’addiction oncogénique, l’activation de mTORC1 dans les LAM représente une opportunité thérapeutique originale via une relation de létalité synthétique avec l’activation d’AMPK. Ils constituent un rationnel au développement clinique d’activateurs d’AMPK dans les LAM, voire dans d’autres cancers ayant une activation constitutive de mTORC1.

Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous disease with poor prognosis despite intensive treatments. Virtually all recurrent molecular alterations in AML functionally converge to cause signal transduction pathway dysregulation that drives cellular proliferation and survival. The mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) is a rapamycin-sensitive signaling node defined by the interaction between mTOR and raptor. Constitutive mTORC1 activity is nearly universal in AML. However, pharmacologic inhibition with rapamycin or second-generation mTOR kinase inhibitors has shown limited anti-leukemic activity in both preclinical models as well as in clinical trials, suggesting that addiction to this oncogene is not a recurrent event in AML. Here we report that sustained mTORC1 activity is nonetheless essential for the cytotoxicity induced by pharmacologic activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) in AML. Our studies employed a novel AMPK activator called GSK621. Using CRISPR/Cas9 and shRNA-mediated silencing of the AMPKa1 catalytic subunit, we showed that AMPK activity was necessary for the anti-leukemic response induced by this agent. GSK621-induced AMPK activation precipitated autophagy, and blocking autophagy via shRNA-mediated knockdown of ATG5 or ATG7 protected AML cells from cytotoxicity resulting from treatment with GSK621, suggesting that autophagy promotes cell death in the context of active AMPK. GSK621 cytotoxicity was consistently observed across twenty different AML cell lines, primary AML patient samples and AML xenografts in vivo. GSK621-induced AMPK activation also impaired the self-renewal capacity of MLL-ENL- and FLT3-ITD-induced murine leukemias as measured by serial methylcellulose replating assays. Strikingly, GSK621 did not induce cytotoxicity in normal CD34+ hematopoietic progenitor cells. We hypothesized that the differential sensitivity to GSK621 could be due to the difference in amplitude of mTORC1 activation between AML and normal CD34+ cells. In contrast to most reported cellular models in which AMPK inhibits mTORC1, sustained mTORC1 activity was seen following GSK621-induced AMPK activation in AML. Inhibition of mTORC1 either pharmacologically (using rapamycin) or genetically (using shRNAs targeting raptor and mTOR) abrogated AMPK-induced cytotoxicity in AML cells, including primary AML patient samples. The same synthetic lethality could be recapitulated in normal CD34+ progenitors by constitutive activation of mTORC1 using a lentivirally-transduced myrAKT construct. We further observed that the level of ATF4 protein is under a transcriptionnal control by mTORC1 and a translational control by AMPK (through eIF2A), and explains the synthetic lethal relationship between AMPK and mTORC1. Taken together, these data show that the magnitude of mTORC1 activity determines the degree of cytotoxicity triggered by AMPK activation. Our results therefore support AMPK activation as a promising therapeutic strategy in AML and other mTORC1-active malignancies which warrants further investigations in clinical trials.