Study of glucose metabolism in acute myeloid leukemia and implication of the mTORC1 signaling pathway

Les Leucémies Aigües Myéloïdes (LAM) sont des hémopathies malignes hétérogènes de mauvais pronostic qui se caractérisent par une expansion clonale de progéniteurs immatures. De nombreuses dérégulations de voies de signalisation sont retrouvées dans les cellules leucémiques et leur confèrent un avantage de prolifération et de survie. La voie de signalisation mTORC1, qui contrôle la traduction protéique, l’autophagie et plusieurs voies métaboliques, est ainsi constitutivement activée dans les cellules leucémiques. La reprogrammation métabolique notamment via « l’effet Warburg » est un phénomène bien décrit dans les cellules cancéreuses. L’augmentation de l’utilisation de la glycolyse, confère aux cellules tumorales un avantage de survie en favorisant une production rapide d’ATP et d’intermédiaires métaboliques nécessaires pour les biosynthèses de nucléotides, d’acides-aminés et de lipides. C’est donc dans ce contexte que j’ai étudié le métabolisme du glucose dans les cellules de LAM et l’implication de la voie de signalisation mTORC1 dans la dérégulation de ce métabolisme. J’ai tout d’abord identifié par une étude transcriptomique dans la lignée leucémique MOLM-14 que la signalisation mTORC1 contrôle plusieurs voies métaboliques notamment celles permettant l’utilisation du glucose. Ceci a été vérifié dans plusieurs lignées de LAM puisque l’inhibition ou la sur-activation de mTORC1 entrainent respectivement une diminution ou une augmentation de la consommation de glucose et de la production de lactate. De façon intéressante, le niveau d’activation de la voie mTORC1 détermine la sensibilité des cellules leucémiques à l’inhibition de la glycolyse. En effet, lorsque mTORC1 est activé, le blocage de la glycolyse induit de l’autophagie et l’apoptose des cellules leucémiques. A l’inverse, le blocage de mTORC1 induit une reprogrammation métabolique des cellules leucémiques qui utilisent alors principalement la phosphorylation oxydative pour produire l’ATP dont elles ont besoin. Leur survie devient alors indépendante du glucose. A l’inverse des cellules primaires de LAM, les cellules hématopoïétiques immatures normales CD34+ sont moins sensibles au blocage de la glycolyse. Le ciblage du métabolisme du glucose pourrait donc constituer une stratégie thérapeutique intéressante dans les LAM. Je me suis ensuite intéressée aux effets anti-leucémiques induits par l’inhibition de la voie des pentoses phosphates (PP) et plus particulièrement au ciblage de la G6PD (glucose-6-phosphate déshydrogénase) par le composé le 6-aminonicotinamide (6-AN). En effet, une étude de flux métabolique a permis de mettre en évidence qu’une proportion importante de glucose est dirigé vers la voie des PP, laissant suggérer que l’addiction des cellules leucémiques au glucose pourrait être liée à une utilisation augmentée de cette voie annexe. J’ai alors observé que le 6-AN induit une cytotoxicité in-vitro y compris dans les cellules primaires de patients, sans avoir d’effets sur les cellules hématopoïétiques normales et in-vivo dans un modèle de xénogreffe de la lignée MOLM-14 chez la souris NUDE. Cette étude a donc permis de montrer que l’activation constitutive de mTORC1 rend la survie des cellules de LAM dépendante de la glycolyse et crée une sensibilité spécifique à l’inhibition de la G6PD. La dérégulation de la signalisation mTORC1 étant quasi-constante dans les LAM, cibler la G6PD pourrait donc représenter une stratégie thérapeutique intéressante.Acute Myeloid Leukemia (AML) are heterogeneous hematological diseases with poor prognosis characterized by a clonal expansion of immature progenitors. Many deregulation of signaling pathways are found in leukemic cells and give them an advantage of proliferation and survival. The MTORC1 signaling pathway, which controls protein translation, autophagy and several metabolic pathways, is constitutively activated in leukemic cells. Metabolic reprogramming in particular the "Warburg effect" is a phenomenon well described in cancer cells. High rate of glycolysis has been considered to give tumour cells advantages through rapid production of ATP and intermediates for the synthesis of nucleotides, amino acids, and lipids. In this context, I studied glucose metabolism in AML cells and the involvement of the mTORC1 signaling pathway in the deregulation of this metabolism. First, I identified by a transcriptomic analysis in the MOLM-14 cell line that mTORC1 signaling controls several metabolic pathways including those for glucose utilization. This has been verified in several AML cell lines, since inhibition or over-activation of mTORC1 respectively induces a decrease or an increase in glucose consumption and lactate production. Interestingly, the level of activation of the mTORC1 signaling pathway determines the sensitivity of AML cells to the inhibition of glycolysis. Indeed, when mTORC1 is activated, the blockade of glycolysis induces autophagy and apoptosis of leukemic cells. Conversely, blocking mTORC1 induces metabolic reprogramming of leukemic cells, which then mainly use oxidative phosphorylation to produce ATP for their needs. AML cell survival become independent of glucose. Unlike primary AML cells, survival of normal immature hematopoietic cells CD34+ is only barely affected by the blockade of glycolysis. Thus, targeting the glucose metabolism may constitute an attractive therapeutic strategy in AML. I then investigated the anti-leukemic activity induced by the inhibition of the pentose phosphate pathway (PPP) and more particularly by the specific blockade of G6PD (glucose 6-phosphate dehydrogenase) with the 6-aminonicotinamide (6- AN) compound. Indeed, a metabolic flux analysis demonstrated that a significant proportion of glucose was directed towards the PPP. This result suggested that the addiction of leukemic cells toward glucose might be related to an increased use of PPP. I then observed that the 6-AN induced in vitro cytotoxicity including in primary AML cells from patients without effect on normal immature hematopoietic cells CD34+ and in vivo in a xenograft model of MOLM-14 cell line in the NUDE mouse. This study therefore demonstrated that the constitutive activation of mTORC1 makes AML cells survival dependent on glycolysis, and creates a specific vulnerability to the inhibition of G6PD. Given that deregulation of the mTORC1 signaling pathway is almost constant in AML, targeting G6PD may therefore represent an interesting therapeutic strategy