Identification of the molecular pathways mediating the anti-AML activity of statins

Abstract

La leucémie myéloïde aiguë (LMA) est fréquente chez l’adulte. Malgré un taux de survie très faible des patients après 5 ans (environ 27%), le traitement de la LMA a peu changé au cours des quarante dernières années. Par le biais d’un criblage de viabilité à haut débit réalisé dans le but d’identifier de meilleures molécules anti-LMA, nous avons mis en évidence la capacité des statines (inhibiteurs de l’hydroxy-methyl-glutary-CoA reductase (HMGCR)) à cibler de manière différentielle les différents sous-types de LMA. De manière intéressante, les échantillons de LMA appartenant à des patients classés «bon prognostic», sont 10 fois plus sensibles aux statines que les spécimens provenant de patients présentant un pronostic défavorable. Cet effet discriminatoire est perdu avec l’analogue de statine A405, synthétisé par notre équipe et qui n’a pas d’activité anti-HMGCR, suggérant que l’inhibition d’HMGCR est essentielle pour l’effet discriminatoire des statines. Les statines sont des médicaments hypocholestérolémiants et sont largement connues pour leur action inhibitrice sur l’HMGCR, une enzyme limitante de la voie de synthèse du mévalonate. En plus d’être d’excellents inhibiteurs de la production de cholestérol, les statines sont également connues pour leurs effets pléiotropiques sur d’autres branches de la voie du mévalonate. Ces branches jouent des rôles importants dans diverses fonctions cellulaires telles que la transduction du signal, la synthèse des protéines et la régulation du cytosquelette. Dans cette étude, nous avons émis l’hypothèse selon laquelle l’effet anti-LMA différentiel des statines est modulé par une ou plusieurs sous-branche(s) de la voie du mévalonate. Comme preuve de principe, nous avons confirmé que la réduction de l’activité d’HMGCR, médiée par shARN dans la lignée cellulaire OCI-AML5, conduit à une augmentation significative de la sensibilité aux statines mais pas à l’analogue A405. Nous avons également démontré que la perte complète du récepteur HMGCR, obtenue par CRISPR, est létale et que la supplémentation en mévalonate rétablit à la fois la viabilité cellulaire et la sensibilité aux statines. Pour disséquer davantage l’activité anti-LMA des statines, nous avons utilisé la technique d’ARN interférence pour cibler chacune des sous-branches en aval de la production de mévalonate et étudier la conséquence de ceci sur la viabilité cellulaire ainsi que sur la sensibilité aux statines. Notre étude a montré que la suppression individuelle des enzymes des sous-branches n’affecte pas significativement la sensibilité des cellules OCI-AML-5 aux statines. Fait intéressant, nous avons observé que la réduction de l’enzyme au point de ramification de la voie, la farnésyl diphosphate synthase (FDPS), est létale dans les cellules OCI-AML-5. De manière surprenante, nous avons également observé que la réduction de FDPS provoque une réponse biphasique aux statines. Alors qu’une concentration élevée d’atorvastatine aggrave le phénotype causé par la réduction du FDPS, une faible concentration conduit à un sauvetage presque complet de ce phénotype. Ces résultats ont permis de mettre en évidence un nouveau mécanisme de résistance aux statines dans la LMA. Dans l’ensemble, cette étude souligne l’importance de comprendre le contexte métabolique de la LMA avant traitement, afin de prévenir la résistance au médicaments.

Acute myeloid leukemia (AML) is the most common type of acute leukemia in adults. The overall 5-year survival is as low as ~27%; however treatment for AML has only recently evolved with marginal impact on this low survival. In a large viability screen performed to identify better anti-AML molecules, we identified statins (3-Hydroxy-3-Methyl-glutary-CoA reductase (HMGCR) inhibitors) for their ability to differentially target AML specimens. Interestingly, AML specimens belonging to good outcome AML patients were 10 times more sensitive to statins compared to specimens belonging to adverse outcome patients. This discriminatory effect is lost with statin analog A405, synthesized by our team, which lacks anti-HMGCR activity, suggesting that HMGCR inhibition is essential for statin’s discriminatory effect. Statins are cholesterol- lowering drugs and are widely known for their inhibitory action on HMGCR, a rate-limiting enzyme in the mevalonate pathway. In addition to being excellent inhibitors of cholesterol production, statins are also known for their independent pleiotropic effects attributed by other products of the mevalonate pathway. These branches play important roles in various cellular functions such as signal transduction, protein synthesis and cytoskeletal regulation. In this study, we hypothesized that statin’s anti-AML differential effect is modulated by sub-branch(es) of the mevalonate pathway. As proof of principle, we confirmed that shRNA-mediated reduction of HMGCR activity in OCI-AML-5 cell line led to a significant increase of sensitivity to statins but not to its analog A405. We further demonstrated that complete loss of HMGCR using CRISPR technology was lethal and that mevalonate supplementation rescued both cell viability and sensitivity to statins. To further dissect the anti-AML activity of statins, we used RNAi technology to target each of the downstream sub-branches of the mevalonate pathway and investigated the consequences on cell viability and statin sensitivity. Our study showed that knocking down enzymes of single sub-branches did not affect significantly OCI-AML-5 cells sensitivity to statins. Interestingly, we observed that reduction of branch point enzyme, farnesyl diphosphate synthase (FDPS) was lethal in OCI-AML-5 cells. Unexpectedly, we also observed that FDPS knockdown caused a biphasic response to statin. While high concentrations of atorvastatin aggravates the phenotype caused by FDPS reduction, low concentrations led to a near complete rescue of this phenotype. These results uncovered a novel unsuspected statin resistance mechanism in AML. Overall, this study highlights the importance of understanding the metabolic background of AML prior to drug treatment, in order to prevent drug resistance.