Reprogrammation métabolique dans les leucémies aigues myéloblastiques (LAM) : Impact clinique et mécanismes oncogéniques

Metabolic reprogramming in AML : Clinical impact and oncogenic mechanisms

• Auteur / Autrice : Caroline Lo Presti
• Direction : Pascal Mossuz, Florence Fauvelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement oncogenèse
• Date : Soutenance le 30/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pour l'avancée des biosciences (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Cyrille Botté
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Mossuz, Florence Fauvelle, Emmanuel Gyan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique de Mas, Jean-Emmanuel Sarry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotransformation (métabolisme)

Leucémie aigüe myéloïde

Mots clés libres

Profil métabolique

Leucémie aigue myéloblastique

Reprogrammation métabolique

Acute myeloid leukemia

Metabolic profile

Metabolic reprogramming

Résumé

Le métabolisme des cellules cancéreuses est fortement perturbé et dérégulé dans les cancers. Plusieurs exemples illustrent ce phénomène, notamment la reprogrammation métabolique décrite dans l’effet Warburg, les dérégulations fonctionnelles de certaines voies métaboliques telles que l’augmentation de la production de ROS dans les cellules cancéreuses, ou la mise en évidence d’oncométabolites liés à des mutations acquises telles que les mutations IDH1/2 qui entraînent la production d’un métabolite directement associé au processus leucémique dans les LAM. Afin de caractériser les reprogrammations métaboliques associées au processus leucémique, nous avons analysé par une approche HRMAS les métabolites produits par différentes lignées cellulaires leucémiques représentant différents sous types de LAM (génotype et phénotype différents). Dans ce modèle, nous avons montré que chaque type de lignée présentait un métabolisme particulier à l’état basal, témoin d’une signature métabolique différente selon la nature de la lignée. En situation de stress métabolique (culture en milieu sans sérum), toutes ces lignées développent des mécanismes d’adaptation de leur métabolisme à la carence en nutriments. En particulier, il existe une signature commune caractérisée par la surexpression de métabolites de la voie des phospholipides et de régulation du stress oxydant au bout de 24h de culture en milieu sans sérum. Grâce à ces mécanismes d’adaptation les cellules leucémiques retrouvent au bout de 48h, une viabilité supérieure à 95% et un profil métabolique quasi-identique aux conditions normales. Ces résultats montrent que les cellules leucémiques développent des mécanismes communs de survie, impliquant notamment des dérégulations du métabolisme des lipides, qui leur permettent de continuer à proliférer en situation de stress métabolique. D’autres conditions expérimentales ont été testées, notamment en condition de carence en glucose afin d’explorer la piste de la dérégulation de certains acides aminés comme l’alanine dans ces lignées. De plus, l’étude quantitative et qualitative des acides gras dans les LAM via une approche lipidomique révèle une adaptation similaire des profils lipidomiques des lignées dans les mêmes conditions de privation en sérum précédemment testées. En parallèle, dans une étude sur 54 patients au diagnostic de LAM, nous avons confirmé par l’approche HRMAS qu’il existait chez les patients LAM des différences de profil métabolique en fonction du sous-type de LAM. Nous avons également montré que ces signatures métaboliques étaient significativement corrélées aux sous-groupes pronostiques cytogénétiques, à la réponse au traitement par chimiothérapie et à la survie des patients. Nous montrons notamment que les métabolites surexprimés chez les patients de mauvais pronostic sont retrouvés surexprimés également chez les patients réfractaires au traitement. L’analyse de ces métabolites montrent le rôle particulier de plusieurs voies métaboliques dans le pronostic des LAM : i) la dérégulation de la synthèse de 2-hydroxyglutarate associée aux mutations de l’enzyme IDH1/2, ii) la dérégulation du métabolisme des phospholipides, retrouvant une surexpression de phospholipides dans les plasmas de patients de pronostic défavorable, et iii) la surexpression de la synthèse de certains acides aminés chez les patients chimiorésistants, suggérant une implication de la voie de signalisation LKB1/AMPK.

Cells metabolism is strongly disturbed and deregulated in cancers. Several examples reflect this phenomenon, including metabolic reprogramming described in the Warburg effect, functional deregulations of particular metabolic pathways such as the increase of the ROS production in cancer cells, or the identification of oncometabolites linked to acquired mutations such as IDH1/2 mutations, which lead to the production of a metabolite directly linked to the leukemic process in AML. In order to characterize the metabolic reprogramming associated with the leukemic process, we analyzed by an HRMAS approach the metabolites produced by different leukemic cell lines representing different subtypes of AML (different genotype and phenotype). In this model, we have shown that each type of cell line exhibited a particular metabolism in the basal state, witnessing a different metabolic signature depending on the nature of the cell line. In condition of metabolic stress (culture in a serum-free environment), all these cell lines develop mechanisms to adapt their metabolism to nutrient deficiency. Particularly, there is a common signature characterized by the overexpression of metabolites of the phospholipid pathway and of regulation of oxidative stress after 24 hours of culture in a medium without serum. Thanks to these adaptation mechanisms, the leukemic cells find after 48 hours a viability higher than 95% and a metabolic profile almost identical to normal conditions. These results show that leukemic cells develop common survival mechanisms, notably involving deregulations of lipid metabolism, which allow them to continue to proliferate in condition of metabolic stress. Other experimental conditions have been tested, in particular in glucose deficiency conditions in order to explore the path of deregulation of some amino acids such as alanine in these cell lines. Moreover, the quantitative and qualitative study of fatty acids in AMLs through a lipidomic approach reveals a similar adaptation of the lipidomic profiles of the cell lines in the same serum-free conditions previously tested. In parallel, in a study on 54 patients diagnosed with AML, we confirmed by the HRMAS approach that there were differences in metabolic profile in AML patients according to the AML subtype. We also showed that these metabolic signatures were significantly correlated with cytogenetic prognostic subgroups, response to chemotherapy treatment and patient survival. We show in particular that the metabolites overexpressed in patients with poor prognosis are found overexpressed also in patients refractory to treatment. The analysis of these metabolites shows the particular role of several metabolic pathways in the prognosis of AML: i) deregulation of the synthesis of 2-hydroxyglutarate associated with mutations in the IDH1/2 enzyme, ii) deregulation of the metabolism of phospholipids, showing an overexpression of phospholipids in adverse prognosis patients plasmas, and iii) overexpression of the synthesis of some amino acids in chemoresistant patients, suggesting an involvement of the LKB1/AMPK signaling pathway.