IDH2 mutations in acute myeloid leukemia confer specific sensitivity to BCAA metabolism inhibition
Les mutations d'IDH2 dans la leucémie aigue myéloïde confèrent une sensibilité spécifique à l'inhibition du métabolisme des acides aminés branchés (BCAA)
Résumé
Acute myeloid leukemia (AML) is a complex and molecularly heterogeneous disease characterized by the accumulation of immature myeloid progenitors. Somatic mutations affecting the Isocitrate Dehydrogenase (IDH) 1 and 2 genes are present in ~20-25% of cases. The IDH genes encode for the same function of the Krebs cycle, i.e., the oxidation of isocitrate to alpha-ketoglutarate (aKG). In their mutated form, IDH enzymes induce the accumulation of a metabolite, the D-stereoisomer of 2-hydroxyglutarate (D-2HG) responsible for energetic disturbance and functional inhibition of aKG-dependent dioxygenases. Reversal of the leukemic blast differentiation blockade is an important therapeutic paradigm in AML. Enasidenib and ivosidenib (inhibitors of mutated IDH enzymes) represent today an innovative treatment strategy for patients with IDHmut AML. Many enzymatic reactions use aKG as a co-substrate, including amino acid (AA) degradation reactions by transamination. Our mass spectrometry (LC-MS) studies have identified abnormal activity of the branch-chain amino acid (BCAA) metabolic pathway, particularly leucine, in leukemic blasts from patients with IDHmut AML. Our project aims to characterize the modalities of this metabolic reprogramming and to study whether this metabolic alteration might represent a therapeutic approach.MethodsIn this work, we have:- studied the production of leucine and alpha-ketoisocaproate (aKIC) from leucine transamination, on an independent cohort of primary AML IDH2mut patient samples and in different cellular models.- analyzed leucine, aKIC and other metabolites metabolisms, by metabolic flux methods based on stable labelled isotope tracing analysis on primary patient blasts and in IDH2mut cell lines.- studied the transcriptional regulation BCAT1 gene (branched chain amino-transaminase 1) whose activity controls the metabolism of leucine and aKIC, in primary leukemic cells and in cell lines (RT-qPCR, CHIP-qPCR).- assessed the consequences on leukemogenesis of pharmacological and genetic BCAT1 inhibition, in primary samples, cell lines and PDX (patient-derived xenograft) mouse models- demonstrated a direct link between the catabolic activity of the BCAA pathway, leucine production and mTOR pathway regulation.ResultsWe confirmed the anabolic rewiring of BCAA pathway (usually catabolic in cancer cells), which induce leucine accumulation specifically in IDH2mut primary blasts and different cellular models. We also observed BCAT1 gene overexpression due to an alternative promoter activity, favored by the IDHmut genotypic context. Pharmacological (gabapentin, BCATc inhibitor 2) and genomic (shRNA) inhibition of BCAT1 induced an apoptosis increase in different cellular models, primary samples and PDX IDH2mut mouse model compared to IDHwt. Inhibition of BCAT1 was also associated with an engagement of myeloid differentiation, specifically in IDHmut settings. We also showed that IDH2 mutation through D-2HG and aKIC levels, induced a mTORC2 activity increase, through AKT phosphorylation.ConclusionOur work reveals a specific metabolic vulnerability in IDHmut leukemic cells linked to BCAA pathway rewiring. Inhibition of this metabolic pathway could represent a therapeutic approach in IDHmut AML.
La leucémie aiguë myéloïde (LAM) est une maladie complexe et hétérogène sur le plan moléculaire qui se caractérise par l'accumulation de progéniteurs myéloïdes immatures. Les mutations somatiques affectant les gènes Isocitrate Déshydrogénase (IDH) 1 et 2 sont présentes dans ~20-25% des cas. Les gènes IDH codent pour une même fonction du cycle de Krebs, i.e., l’oxydation de l’isocitrate en alpha-cétoglutarate (aKG). Sous leur forme mutées, les enzymes IDH induisent l'accumulation d'un métabolite, le stéréoisomère D du 2-hydroxyglutarate (D-2HG) responsable de dérégulations énergétiques et de l’inhibition fonctionnelle de dioxygénases cellulaires dépendantes de l’aKG parmi lesquelles des acteurs majeurs de l’épigenèse. La réversion du blocage de différenciation des blastes leucémiques est un paradigme thérapeutique important de la LAM. L’enasidenib et l’ivosidenib (inhibiteurs des enzymes IDH mutées) représentent aujourd’hui une stratégie de traitement innovante pour les patients atteints de LAM IDHmut. De nombreuses réactions enzymatiques utilisent l’aKG comme co-substrat, notamment les réactions de dégradation des acides aminés (AA) par transamination. Nos études par spectrométrie de masse (LC-MS) ont identifié une activité anormale de la voie métabolique des AA branchés (ou branched-chain amino acid, BCAA), plus particulièrement la leucine, dans des blastes leucémiques de patients atteints de LAM IDHmut. Notre projet vise à caractériser les modalités de cette reprogrammation métabolique et à étudier si cette altération métabolique est exploitable sur le plan thérapeutique.MéthodesAu cours de ce travail, nous avons :- étudié la production de leucine et de l’alpha-kétoisocaproate (aKIC) issu de la transamination de la leucine, sur une cohorte indépendante d’échantillons primaires de patient LAM IDH2mut et en modèle cellulaire.- analysé le métabolisme de la leucine, de l’aKIC et d’autres métabolites, par des méthodes d'étude de flux métaboliques basées sur l'analyse de radio-isotopes marqués sur des blastes primaires de patients et en lignée cellulaire IDH2mut.- étudié la régulation transcriptionnelle du gène BCAT1 (branched chain amino-transaminase 1) dont l’activité contrôle le métabolisme de la leucine et de l'aKIC, sur des blastes primaires de patients et en modèle cellulaire (RT-qPCR, CHIP-qPCR).- étudié les conséquences sur la leucémogénèse d’une inhibition pharmacologique et génétique de BCAT1, en lignées cellulaires et dans des modèles murins PDX (patient-derived xenograft).- mis en évidence un lien direct entre l’activité catabolique de la voie des BCAA, la production de leucine et la régulation de la voie mTOR.RésultatsNous avons confirmé un sens anabolique de la voie des BCAA (habituellement catabolique dans les cellules cancéreuses) ainsi que l’accumulation de leucine de façon spécifique au sein des blastes primaires IDH2mut et différents modèles cellulaires. Dans ces cellules, nous avons observé une surexpression du gène BCAT1 par le biais d’une utilisation privilégiée d’un promoteur alternatif, favorisée par le contexte génotypique IDHmut. L’inhibition pharmacologique (gabapentine, BCATc inhibitor 2) et génomique (shRNA) de BCAT1 induisait un excès d’apoptose dans différents modèles cellulaires, blastes primaires et modèle murins PDX IDH2mut comparativement au contexte IDHwt. L’inhibition de BCAT1 était également associée à un engagement de la différentiation myéloïde, privilégiée dans les cellules portant une anomalie IDH. Nous avons également montré que la mutation d'IDH2 par le biais du D-2HG et des niveaux d’aKIC, induisait une augmentation de l'activité de mTORC2, par la phosphorylation d'AKT.ConclusionNotre travail révèle une vulnérabilité métabolique spécifique des cellules leucémiques portant une anomalie IDH, liée à une réversion du sens habituelle de la voie BCAA. L’inhibition de cette voie métabolique pourrait représenter une approche thérapeutique dans les LAM IDHmut.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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