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.

Les gènes de l'isocitrate déshydrogénase (IDH) sont mutés dans 70 à 80 % des gliomes de bas grade. Les enzymes mutantes IDH qui en résultent présentent une activité de gain de fonction, produisant du R-2-hydroxyglutarate (R-2-HG), appelé oncométabolite en raison de son accumulation anormale dans les tumeurs et de ses activités oncogéniques potentielles. Parmi les caractéristiques du cancer telles que la reprogrammation métabolique et épigénétique, le stress réplicatif et la stabilité du génome ont été peu caractérisés dans les cancers IDH-mutants. Par conséquent, cette étude vise à étudier l'impact de l'accumulation de R-2-HG sur la réplication de l'ADN et sa contribution au stress réplicatif dans les cancers IDH-mutants. Nous avons étudié la dynamique de la fourche de réplication dans des astrocytes humains normaux et confirmé les résultats dans d'autres lignées cellulaires normales et cancéreuses. Nous avons constaté que le traitement exogène par l'octyl-R-2-HG entravait la progression de la fourche de réplication et retardait par conséquent l'achèvement de la phase S. L'évaluation des niveaux de phosphorylation des protéines RPA, CHK1 et H2AX a révélé que la réponse classique au stress réplicatif (RSR) n'était pas activée. Un état cellulaire dans lequel la réplication de l'ADN est altérée sans activation de la RSR a notamment été décrit dans la littérature comme résultant de l'activation de la réponse au stress intégré (ISR). Cependant, l'activation de la RSI dans les cancers mutants IDH n'est pas bien étudiée. En évaluant les marqueurs d'activation de la RSI, tels que la phosphorylation de l'eIF2α et les niveaux de protéines ATF4, nous avons montré que l'octyl-R-2-HG activait la RSI. De plus, le blocage de l'ISR a partiellement sauvé la fourche de réplication et la progression de la phase S. Nous avons répliqué cette étude oncométrique. Nous avons reproduit ce défaut de réplication de l'ADN lié à l'oncométabolite ainsi que l'effet de sauvetage partiel de l'ISRIB lors de l'induction de la surexpression du gène IDH mutant. Nos résultats indiquent que la production de R-2-HG associée à la mIDH peut inhiber la dynamique normale de réplication de l'ADN via la signalisation ISR. / The isocitrate dehydrogenase (IDH) genes are mutated in 70-80% of low-grade gliomas. The resulting IDH mutant enzymes exhibit gain-of-function activity, producing R-2-hydroxyglutarate (R-2-HG), which is referred to as an oncometabolite due to its abnormal accumulation in tumours and potential oncogenic activities. Among the hallmarks of cancer such as metabolic and epigenetic reprogramming, replicative stress and genome stability have been poorly characterized in IDH-mutant cancer. Therefore, this study aims to investigate the impact of R-2-HG accumulation on DNA replication and its contribution to replicative stress in IDH-mutant cancers. We investigated replication fork dynamics in normal human astrocytes and confirmed the results in other normal and cancer cell lines. We found that exogenous treatment with octyl-R-2-HG impaired replication fork progression and consequently delayed S-phase completion. Assessment of RPA, CHK1 and H2AX protein phosphorylation levels revealed that the classical Replicative Stress Response (RSR) was not activated. Among others, a cell state in which DNA replication was impaired without activation of the RSR has been described in the literature as a result of activation of the Integrated Stress Response (ISR). However, ISR activation in IDH-mutant cancers is not well studied. Hence, by assessing ISR activation markers such as eIF2α phosphorylation and ATF4 protein levels, we showed that octyl-R-2-HG activated ISR. Moreover, blocking ISR partially rescued the replication fork and S-phase progression. We replicated this oncometabolite-related DNA replication defect as well as ISRIB’s partial rescue effect upon induction of mutant IDH gene overexpression. Our results indicate that mIDH-associated R-2-HG production possibly inhibits normal DNA replication dynamics via ISR signalling.