Study of CEBPA functions in metabolism and response to treatment in acute myeloid leukemia

Acute myeloid leukemia (AML) are hematological malignancies characterized by an aberrant proliferation of myeloid progenitor cells that are blocked at an early stage of their differentiation. Leukemogenesis is finely regulated by transcription factor (TF) implicated in the differentiation. Amongst them, CCAAT-enhancer binding protein ? (CEBPa) is a key TF and is frequently find dysregulated or mutated in AML. Therefore, the aim of my PhD was to study the role of CEBPa in differentiation, metabolism and response to treatment in AML. Our team had shown that CEBPa expression et activity are increased in AML patients carrying isocitrate dehydrogenase 1 and 2 mutations (IDH1/2m). IDH1/2 are key metabolic enzymes which, when they are mutated, acquired a neomorphic enzyme activity, leading to the production of an oncometabolite, the 2-hydroxyglutarate (2HG). In this context, we show that CEBP? activates the vitamin D (VD) pathway and its receptor (VDR) in a 2HG dependent manner. VDR is receptor/TF essential for mono/granulocytic differentiation. Therefore, we demonstrate that differentiating agent combination (with ATRA and VD) synergizes to induce differentiation of IDH1/2m cells. Furthermore, we observe an enrichment of the VD/VDR pathway in IDH1/2m patients relapsing after treatment with IDH1/2m inhibitors (IDHi). These findings provide a scientific rational to combine ATRA and VD as an alternative therapeutic approach to treat this AML patient subgroup. While IDH1/2m cancer cells exhibit metabolic specificities, to date no study has shown how metabolic changes elicited by IDH1/2m modulate proliferation and drug resistance. Thus, we observe that mitochondrial metabolism is enhanced in IDH1m cells. This metabolic change is due to an enhanced fatty acid oxidation (FAO) transcriptionally dependent on CEBPa. IDHi that reduced 2HG production and CEBPa expression fail to block mitochondrial activity and FAO, due to re-activation of PGC1ß a canonical TF of mitochondrial activity and biogenesis. Furthermore, we show that mitochondrial inhibition improves IDHi efficiency in vivo. While CEBPa function in metabolism is well known in normal cells (hepatocyte, adipocyte), it has never been described in AML. Beyond IDH1/2m patients, we also show that CEBPa expression is increased in AML patient carrying mutations in the Fms-like tyrosine kinase 3 (FLT3) receptor. We demonstrate that FLT3-mutated (FLT3m) cells have an enhanced lipid synthesis activity in a CEBPa dependent manner. Moreover, FLT3 inhibitors (FLT3i) reduce monounsaturated composition of membrane phospholipids by inactivating CEBPa. This leads to enhanced sensitivity of FLT3m cells to ferroptosis inducers. Accordingly, combining ferroptosis inducers with FLT3i represents a promising therapeutic approach for this subgroup of patients with a poor prognosis. Beyond its role in differentiation, this work has identified a novel and essential role for CEBPa not only in mitochondrial and lipid metabolism but also in the response and resistance to new therapies in AML.
Les leucémies aiguës myéloïdes (LAM) sont des hémopathies malignes rares causées par une prolifération anormale et non contrôlée de progéniteurs myéloïdes bloqués à un stade précoce de leur différenciation. La leucémogénèse est un processus finement régulé en particulier par les facteurs de transcription responsables du stade de différenciation auquel les blastes sont retrouvés bloqués. Parmi eux, CCAAT-enhancer binding protein ? (CEBPa) constitue un des acteurs majeurs et est souvent dérégulé ou muté dans les LAM. Ainsi, mes travaux de thèse ont eu pour objectif d'étudier le rôle de CEBPa dans la différenciation, le métabolisme et la réponse aux traitements des LAM. Des travaux de l'équipe montrent que son expression et son activité peuvent être augmentées chez les patients portant des mutations sur les isocitrates déshydrogénases 1 et 2 (IDH1/2m). IDH1/2 sont des enzymes clés du métabolisme qui, lorsqu'elles sont mutées, développent une nouvelle activité enzymatique se traduisant par la production d'un oncométabolite, le 2-hydroxyglutarate (2HG). Dans ce contexte génétique, nous montrons que CEBPa active la voie de la vitamine D (VD) et de son récepteur (VDR) de façon dépendante du 2HG. VDR est un récepteur/facteur de transcription important dans la différenciation mono/granulocytaire. Ainsi, nous montrons que la combinaison de deux agents différenciants, l'all-trans retinoic acid (ATRA) et la VD, induit la différenciation des cellules IDH1/2m de façon synergique. Par ailleurs, nous mettons en évidence que la voie VD/VDR est enrichie chez les patients IDH1/2m en rechute après traitement aux inhibiteurs de IDH1/2m (IDHi). Ainsi, l'association de l'ATRA et de la VD représenterait une stratégique thérapeutique prometteuse et alternative pour ce sous-groupe de patients. Alors que les cellules cancéreuses IDH1/2m arborent des spécificités métaboliques, l'impact de ces changements métaboliques sur la prolifération et la résistance aux drogues n'a cependant pas été décrit. Ainsi, nous montrons que les cellules IDH1m présentent un métabolisme mitochondrial exacerbé. Ce changement métabolique est dû à une augmentation de la ß-oxydation des acides gras transcriptionnellement dépendante de CEBPa. Bien que les IDHi réduisent la production de 2HG et l'expression de CEBPa, ils ne parviennent pas à contrecarrer l'activité mitochondriale et la ß-oxydation des cellules IDH1/2m dues à la sur-activation du facteur de transcription PGC1ß. Ainsi, inhiber la mitochondrie améliore l'efficacité des IDHi in vivo. Alors que le rôle de CEBPa dans le métabolisme, en particulier des lipides, est connu dans les cellules normales (hépatocytes, adipocytes), celui-ci n'avait jusqu'alors jamais été décrit dans les LAM. Au-delà des patients IDH1/2m, nous observons que l'expression de CEBPa est également augmentée chez les patients portant des mutations sur le récepteur Fms-like tyrosine kinase type 3 (FLT3).[...]