Nouvelles stratégies de sensibilisation des Cellules Souches Leucémiques en ciblant l’axe BCR-ABL/BMI1

New strategies to sensitize Leukemic Stem Cells by targeting BCR-ABL/BMI1 axis

• Auteur / Autrice : Fabien Muselli
• Direction : Didier Mary
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Méditerranéen de Médecine Moléculaire (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Bost
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bost, Véronique Maguer-Satta, Stéphane Prost, Jean-Max Pasquet, Hana Raslova
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Maguer-Satta, Stéphane Prost

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules souches

Leucémie myéloïde chronique

Mots clés libres

Leucémie myéloïde chronique

Cellules souches leucémiques

Bisbiguanides

PKC delta

BMI1

BCR-ABL

Chronic Myeloid Leukemia

Leukemic Stem Cells

Bisbiguanides

PKC delta

BMI1

BCR-ABL

Résumé

La Leucémie Myéloïde Chronique (LMC) est la première maladie cancéreuse ayant permis de démontrer l’intérêt et l’efficacité d’une thérapie ciblée. Dans la grande majorité des cas, les patients atteints de LMC répondent au traitement par inhibiteur de tyrosine kinase (ITK) avec une amélioration considérable de leur qualité de vie sans que la maladie ne soit totalement éradiquée ce qui nécessite de maintenir le traitement à vie avec d’éventuels effets secondaires associés. Par ailleurs, environ 10% des patients restent réfractaires à ce type de thérapie. Ces deux problèmes sont la conséquence de l’insensibilité aux ITKs des Cellules Souches Leucémiques (CSLs) aux ITKs. Ce travail de thèse visait à identifier et à caractériser de nouvelles approches pharmacologiques permettant le ciblage des CSL. Sur la base des résultats de l’équipe concernant l’oncogène BMI1, une molécule clé de l’auto-renouvellement des CSL, j’ai mis en place deux stratégies : Dans une première approche j’ai pu démontrer qu’il était pertinent de cibler pharmacologiquement la Protéine Kinase C delta (PKCδ) après avoir observé et démontré qu’elle jouait un rôle très important dans la survie des CSLs en contrôlant l’expression de BMI1. L’inhibition spécifique de la PKCδ semble suffisante pour diminuer le nombre de CSLs et un inhibiteur de PKCδ associé à un ITK permet d’accroître la sensibilité des CSLs à cet ITK. Les étapes moléculaires affectées par l’inhibition de la PKCδ concernent essentiellement les processus apoptotiques mitochondriaux avec notamment la disparition des facteurs anti-apoptotiques.La deuxième approche concerne l’Alexidine (ALX) appartenant à la famille des bisbiguanides que nous avons identifiée en interrogeant la base de données du Connectivity Map à l’aide d’un transcriptome obtenu après « silencing » de BMI1 dans la lignée K562. L’ALX stimule la phosphorylation de l’AMPK et induit la mort cellulaire des cellules sensibles et résistantes à l’Imatinib. Des analyses biologiques réalisées à partir d’échantillons primaires provenant de prélèvements médullaires de patients répondeurs et non-répondeurs à l’imatinib, ont montré que la combinaison ITK/ALX permet de purger 90% du pool de CSLs. Ce type de combinaison induit également la mort cellulaire des lignées de LMC qu’elles soient sensibles ou résistantes à l’Imatinib, avec une très forte synergie que l’ITK utilisé soit de première, seconde ou troisième génération. L’ALX inhibe la respiration mitochondriale des cellules leucémiques en amont du déclenchement des processus apoptotiques, perturbant ainsi leurs processus énergétiques et aboutissant à leur mort. Nous avons ainsi mis en évidence deux ciblages moléculaires distincts dans l’axe BCR-ABL/BMI1 qui vont conduire à de fortes perturbations au niveau mitochondrial contribuant à sensibiliser les CSLs aux ITKs.L’ensemble des résultats permet de proposer deux types d’approches pharmacologiques nouvelles chacune d’entre elles pouvant être combinée à n’importe quel ITK pour atteindre le compartiment souche leucémique. Ce type d’approche laisse envisager la possibilité de combinaisons de molécules susceptibles de traiter les patients aujourd’hui insensibles aux thérapies ciblées proposées, ainsi que de traiter définitivement ceux nécessitant aujourd’hui d’un traitement à vie.

Chronic myeloid leukemia (CML) is the first cancer for which targeted therapy was shown to be effective. Tyrosine kinase inhibitors (TKIs) greatly improved most patients’ quality of life but failed to completely eradicate the disease. Therefore, patients require life-long treatment that possibly come with long-term side effects. Furthermore, 10% of CML patients do not respond to TKI treatment. Studies suggest that the cause of this intrinsic resistance is the persistence of leukemic stem cells (LSC) resistant to TKIs. In the current study, my goals were to identify and characterize new pharmacological approaches targeting LSC. Previous data from our team, related to the oncogene BMI1, a key molecule in the process of LSC self-renewal allowed me to draw out two strategies. Firstly, I showed that through its regulation of BMI1 expression, the delta isoform of the protein kinase C delta (PKCδ) is crucial in LSC survival. Specifically, inhibiting PKCδ alone, decreases the number of LSCs. Moreover, combining a PKCδ inhibitor to a TKI potentiates TKI targeting of LSCs. The molecular pathways altered by the inhibition of PKCδ essentially depend on mitochondrial apoptotic processes, in particular, with the loss of anti-apoptotic proteins. My second approach was to characterize the effects of Alexidine (ALX) a molecule of the bis-biguanide family, which we identified through the Connectivity Map database, using a transcriptomic dataset in which BMI1 was silenced in the K562 cell line. ALX results in AMPK phosphorylation and cell death of both sensitive and resistant cells to Imatinib. Biochemical experiments on primary cells obtained from bone marrow biopsies of patients, considered as responders but also from non-responders to Imatinib, showed that combining TKI to ALX eliminates 90% of LSCs. ALX synergizes with first-, second-, and third-generation TKI and induce cell death in CML cell lines, both sensitive and resistant to Imatinib. In leukemic cells, ALX inhibits mitochondrial respiration before it induces apoptosis, altering their energy metabolism and eventually leading to cell death. We have shown that targeting two distinct molecular steps of the BCR-ABL/BMI1 axis leads to mitochondrial dysfunction and contributes to sensitizing LSC to TKI. Our research puts forth two novel pharmacological strategies, which can be combined to all TKIs to reach and eradicate the stem cell compartment. Not only does this type of approach clear the way for the possibility of combining molecules to treat patients unresponsive to prevailing targeted therapies, but it also offers the prospect of curing patients for good.