Mitochondrial metabolism supports resistance to IDH mutant inhibitors in acute myeloid leukemia

Author:

Stuani Lucille123ORCID,Sabatier Marie123ORCID,Saland Estelle123ORCID,Cognet Guillaume123ORCID,Poupin Nathalie4ORCID,Bosc Claudie123ORCID,Castelli Florence A.5ORCID,Gales Lara67ORCID,Turtoi Evgenia89ORCID,Montersino Camille10ORCID,Farge Thomas123ORCID,Boet Emeline123ORCID,Broin Nicolas123ORCID,Larrue Clément123ORCID,Baran Natalia11ORCID,Cissé Madi Y.8ORCID,Conti Marc1213ORCID,Loric Sylvain12ORCID,Kaoma Tony14ORCID,Hucteau Alexis123ORCID,Zavoriti Aliki123ORCID,Sahal Ambrine123ORCID,Mouchel Pierre-Luc12315ORCID,Gotanègre Mathilde123ORCID,Cassan Cédric16ORCID,Fernando Laurent4ORCID,Wang Feng11ORCID,Hosseini Mohsen123ORCID,Chu-Van Emeline5ORCID,Le Cam Laurent8ORCID,Carroll Martin17ORCID,Selak Mary A.17ORCID,Vey Norbert10ORCID,Castellano Rémy10ORCID,Fenaille François5ORCID,Turtoi Andrei8ORCID,Cazals Guillaume18ORCID,Bories Pierre19ORCID,Gibon Yves16ORCID,Nicolay Brandon20ORCID,Ronseaux Sébastien20ORCID,Marszalek Joseph R.11ORCID,Takahashi Koichi11ORCID,DiNardo Courtney D.11ORCID,Konopleva Marina11ORCID,Pancaldi Véra121ORCID,Collette Yves10ORCID,Bellvert Floriant67ORCID,Jourdan Fabien47ORCID,Linares Laetitia K.8ORCID,Récher Christian12315ORCID,Portais Jean-Charles6722ORCID,Sarry Jean-Emmanuel12323ORCID

Affiliation:

1. Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France

2. LabEx Toucan, Toulouse, France

3. Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France

4. UMR1331 Toxalim, Université de Toulouse, Institut National de la Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse, INP-Purpan, Université Paul Sabatier, Toulouse, France

5. CEA/DSV/iBiTec-S/SPI, Laboratoire d’Etude du Métabolisme des Médicaments, MetaboHUB-Paris, Gif-sur-Yvette, France

6. Toulouse Biotechnology Institute, Université de Toulouse, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Institut National des sciences appliquées, Toulouse, France

7. MetaToul-MetaboHUB, National Infrastructure of Metabolomics and Fluxomics, Toulouse, France

8. Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Université de Montpellier, Institut Régional du Cancer Montpellier, Montpellier, France

9. Montpellier Alliance for Metabolomics and Metabolism Analysis, Platform for Translational Oncometabolomics, Biocampus, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Université de Montpellier, Montpellier, France

10. Aix-Marseille University, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut Paoli-Calmettes, Centre de Recherches en Cancérologie de Marseille, Marseille, France

11. Departments of Leukemia and Genomic Medicine, The University of Texas, MD Anderson Cancer Center, Houston, TX

12. Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale U938, Hôpital St Antoine, Paris, France

13. Integracell, Longjumeau, France

14. Proteome and Genome Research Unit, Department of Oncology, Luxembourg Institute of Health, Strassen, Luxembourg

15. Service d'Hématologie, Institut Universitaire du Cancer de Toulouse-Oncopole, CHU de Toulouse, Toulouse, France

16. UMR1332 Biologie du Fruit et Pathologie, Plateforme Métabolome Bordeaux, Institut National de la Recherche Agronomique, Université de Bordeaux, Villenave d'Ornon, France

17. Division of Hematology and Oncology, Department of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA

18. Laboratoire de Mesures Physiques, Université de Montpellier, Montpellier, France

19. Réseau Régional de Cancérologie Onco-Occitanie, Toulouse, France

20. Agios Pharmaceuticals, Cambridge, MA

21. Barcelona Supercomputing Center, Barcelona, Spain

22. STROMALab, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale U1031, EFS, INP-ENVT, UPS, Toulouse, France

23. Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse, Toulouse, France

Abstract

Mutations in IDH induce epigenetic and transcriptional reprogramming, differentiation bias, and susceptibility to mitochondrial inhibitors in cancer cells. Here, we first show that cell lines, PDXs, and patients with acute myeloid leukemia (AML) harboring an IDH mutation displayed an enhanced mitochondrial oxidative metabolism. Along with an increase in TCA cycle intermediates, this AML-specific metabolic behavior mechanistically occurred through the increase in electron transport chain complex I activity, mitochondrial respiration, and methylation-driven CEBPα-induced fatty acid β-oxidation of IDH1 mutant cells. While IDH1 mutant inhibitor reduced 2-HG oncometabolite and CEBPα methylation, it failed to reverse FAO and OxPHOS. These mitochondrial activities were maintained through the inhibition of Akt and enhanced activation of peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1 PGC1α upon IDH1 mutant inhibitor. Accordingly, OxPHOS inhibitors improved anti-AML efficacy of IDH mutant inhibitors in vivo. This work provides a scientific rationale for combinatory mitochondrial-targeted therapies to treat IDH mutant AML patients, especially those unresponsive to or relapsing from IDH mutant inhibitors.

Publisher

Rockefeller University Press

Subject

Immunology,Immunology and Allergy

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