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Stuani L, Sabatier M, Saland E, Cognet G, Poupin N, Bosc C, Castelli FA, Gales L, Turtoi E, Montersino C, Farge T, Boet E, Broin N, Larrue C, Baran N, Cissé MY, Conti M, Loric S, Kaoma T, Hucteau A, Zavoriti A, Sahal A, Mouchel PL, Gotanègre M, Cassan C, Fernando L, Wang F, Hosseini M, Chu-Van E, Le Cam L, Carroll M, Selak MA, Vey N, Castellano R, Fenaille F, Turtoi A, Cazals G, Bories P, Gibon Y, Nicolay B, Ronseaux S, Marszalek JR, Takahashi K, DiNardo CD, Konopleva M, Pancaldi V, Collette Y, Bellvert F, Jourdan F, Linares LK, Récher C, Portais JC, Sarry JE. Mitochondrial metabolism supports resistance to IDH mutant inhibitors in acute myeloid leukemia. J Exp Med 2021; 218:e20200924. [PMID: 33760042 PMCID: PMC7995203 DOI: 10.1084/jem.20200924] [Citation(s) in RCA: 42] [Impact Index Per Article: 14.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/07/2020] [Revised: 11/25/2020] [Accepted: 01/11/2021] [Indexed: 12/17/2022] Open
Abstract
Mutations in IDH induce epigenetic and transcriptional reprogramming, differentiation bias, and susceptibility to mitochondrial inhibitors in cancer cells. Here, we first show that cell lines, PDXs, and patients with acute myeloid leukemia (AML) harboring an IDH mutation displayed an enhanced mitochondrial oxidative metabolism. Along with an increase in TCA cycle intermediates, this AML-specific metabolic behavior mechanistically occurred through the increase in electron transport chain complex I activity, mitochondrial respiration, and methylation-driven CEBPα-induced fatty acid β-oxidation of IDH1 mutant cells. While IDH1 mutant inhibitor reduced 2-HG oncometabolite and CEBPα methylation, it failed to reverse FAO and OxPHOS. These mitochondrial activities were maintained through the inhibition of Akt and enhanced activation of peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1 PGC1α upon IDH1 mutant inhibitor. Accordingly, OxPHOS inhibitors improved anti-AML efficacy of IDH mutant inhibitors in vivo. This work provides a scientific rationale for combinatory mitochondrial-targeted therapies to treat IDH mutant AML patients, especially those unresponsive to or relapsing from IDH mutant inhibitors.
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MESH Headings
- Acute Disease
- Aminopyridines/pharmacology
- Animals
- Cell Line, Tumor
- Doxycycline/pharmacology
- Drug Resistance, Neoplasm/drug effects
- Drug Resistance, Neoplasm/genetics
- Enzyme Inhibitors/pharmacology
- Epigenesis, Genetic/drug effects
- Glycine/analogs & derivatives
- Glycine/pharmacology
- HL-60 Cells
- Humans
- Isocitrate Dehydrogenase/antagonists & inhibitors
- Isocitrate Dehydrogenase/genetics
- Isocitrate Dehydrogenase/metabolism
- Isoenzymes/antagonists & inhibitors
- Isoenzymes/genetics
- Isoenzymes/metabolism
- Leukemia, Myeloid/drug therapy
- Leukemia, Myeloid/genetics
- Leukemia, Myeloid/metabolism
- Mice, Inbred NOD
- Mice, Knockout
- Mice, SCID
- Mitochondria/drug effects
- Mitochondria/genetics
- Mitochondria/metabolism
- Mutation
- Oxadiazoles/pharmacology
- Oxidative Phosphorylation/drug effects
- Piperidines/pharmacology
- Pyridines/pharmacology
- Triazines/pharmacology
- Xenograft Model Antitumor Assays/methods
- Mice
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Affiliation(s)
- Lucille Stuani
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Marie Sabatier
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Estelle Saland
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Guillaume Cognet
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Nathalie Poupin
- UMR1331 Toxalim, Université de Toulouse, Institut National de la Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse, INP-Purpan, Université Paul Sabatier, Toulouse, France
| | - Claudie Bosc
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Florence A. Castelli
- CEA/DSV/iBiTec-S/SPI, Laboratoire d’Etude du Métabolisme des Médicaments, MetaboHUB-Paris, Gif-sur-Yvette, France
| | - Lara Gales
- Toulouse Biotechnology Institute, Université de Toulouse, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Institut National des sciences appliquées, Toulouse, France
- MetaToul-MetaboHUB, National Infrastructure of Metabolomics and Fluxomics, Toulouse, France
| | - Evgenia Turtoi
- Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Université de Montpellier, Institut Régional du Cancer Montpellier, Montpellier, France
- Montpellier Alliance for Metabolomics and Metabolism Analysis, Platform for Translational Oncometabolomics, Biocampus, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Université de Montpellier, Montpellier, France
| | - Camille Montersino
- Aix-Marseille University, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut Paoli-Calmettes, Centre de Recherches en Cancérologie de Marseille, Marseille, France
| | - Thomas Farge
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Emeline Boet
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Nicolas Broin
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Clément Larrue
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Natalia Baran
- Departments of Leukemia and Genomic Medicine, The University of Texas, MD Anderson Cancer Center, Houston, TX
| | - Madi Y. Cissé
- Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Université de Montpellier, Institut Régional du Cancer Montpellier, Montpellier, France
| | - Marc Conti
- Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale U938, Hôpital St Antoine, Paris, France
- Integracell, Longjumeau, France
| | - Sylvain Loric
- Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale U938, Hôpital St Antoine, Paris, France
| | - Tony Kaoma
- Proteome and Genome Research Unit, Department of Oncology, Luxembourg Institute of Health, Strassen, Luxembourg
| | - Alexis Hucteau
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Aliki Zavoriti
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Ambrine Sahal
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Pierre-Luc Mouchel
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
- Service d'Hématologie, Institut Universitaire du Cancer de Toulouse-Oncopole, CHU de Toulouse, Toulouse, France
| | - Mathilde Gotanègre
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Cédric Cassan
- UMR1332 Biologie du Fruit et Pathologie, Plateforme Métabolome Bordeaux, Institut National de la Recherche Agronomique, Université de Bordeaux, Villenave d'Ornon, France
| | - Laurent Fernando
- UMR1331 Toxalim, Université de Toulouse, Institut National de la Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse, INP-Purpan, Université Paul Sabatier, Toulouse, France
| | - Feng Wang
- Departments of Leukemia and Genomic Medicine, The University of Texas, MD Anderson Cancer Center, Houston, TX
| | - Mohsen Hosseini
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
| | - Emeline Chu-Van
- CEA/DSV/iBiTec-S/SPI, Laboratoire d’Etude du Métabolisme des Médicaments, MetaboHUB-Paris, Gif-sur-Yvette, France
| | - Laurent Le Cam
- Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Université de Montpellier, Institut Régional du Cancer Montpellier, Montpellier, France
| | - Martin Carroll
- Division of Hematology and Oncology, Department of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA
| | - Mary A. Selak
- Division of Hematology and Oncology, Department of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA
| | - Norbert Vey
- Aix-Marseille University, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut Paoli-Calmettes, Centre de Recherches en Cancérologie de Marseille, Marseille, France
| | - Rémy Castellano
- Aix-Marseille University, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut Paoli-Calmettes, Centre de Recherches en Cancérologie de Marseille, Marseille, France
| | - François Fenaille
- CEA/DSV/iBiTec-S/SPI, Laboratoire d’Etude du Métabolisme des Médicaments, MetaboHUB-Paris, Gif-sur-Yvette, France
| | - Andrei Turtoi
- Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Université de Montpellier, Institut Régional du Cancer Montpellier, Montpellier, France
| | - Guillaume Cazals
- Laboratoire de Mesures Physiques, Université de Montpellier, Montpellier, France
| | - Pierre Bories
- Réseau Régional de Cancérologie Onco-Occitanie, Toulouse, France
| | - Yves Gibon
- UMR1332 Biologie du Fruit et Pathologie, Plateforme Métabolome Bordeaux, Institut National de la Recherche Agronomique, Université de Bordeaux, Villenave d'Ornon, France
| | | | | | - Joseph R. Marszalek
- Departments of Leukemia and Genomic Medicine, The University of Texas, MD Anderson Cancer Center, Houston, TX
| | - Koichi Takahashi
- Departments of Leukemia and Genomic Medicine, The University of Texas, MD Anderson Cancer Center, Houston, TX
| | - Courtney D. DiNardo
- Departments of Leukemia and Genomic Medicine, The University of Texas, MD Anderson Cancer Center, Houston, TX
| | - Marina Konopleva
- Departments of Leukemia and Genomic Medicine, The University of Texas, MD Anderson Cancer Center, Houston, TX
| | - Véra Pancaldi
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- Barcelona Supercomputing Center, Barcelona, Spain
| | - Yves Collette
- Aix-Marseille University, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut Paoli-Calmettes, Centre de Recherches en Cancérologie de Marseille, Marseille, France
| | - Floriant Bellvert
- Toulouse Biotechnology Institute, Université de Toulouse, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Institut National des sciences appliquées, Toulouse, France
- MetaToul-MetaboHUB, National Infrastructure of Metabolomics and Fluxomics, Toulouse, France
| | - Fabien Jourdan
- UMR1331 Toxalim, Université de Toulouse, Institut National de la Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse, INP-Purpan, Université Paul Sabatier, Toulouse, France
- MetaToul-MetaboHUB, National Infrastructure of Metabolomics and Fluxomics, Toulouse, France
| | - Laetitia K. Linares
- Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Université de Montpellier, Institut Régional du Cancer Montpellier, Montpellier, France
| | - Christian Récher
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
- Service d'Hématologie, Institut Universitaire du Cancer de Toulouse-Oncopole, CHU de Toulouse, Toulouse, France
| | - Jean-Charles Portais
- Toulouse Biotechnology Institute, Université de Toulouse, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Institut National des sciences appliquées, Toulouse, France
- MetaToul-MetaboHUB, National Infrastructure of Metabolomics and Fluxomics, Toulouse, France
- STROMALab, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale U1031, EFS, INP-ENVT, UPS, Toulouse, France
| | - Jean-Emmanuel Sarry
- Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse, Université de Toulouse, Institut National de la Santé et de la Recherché Médicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Toulouse, France
- LabEx Toucan, Toulouse, France
- Equipe Labellisée Ligue Nationale Contre le Cancer 2018, Toulouse, France
- Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse, Toulouse, France
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