Abstract The development of resistance to conventional and targeted therapy represents a major clinical barrier in treatment of acute myeloid leukemia (AML). We show that the resistance to cytarabine (AraC) and its associated mitochondrial phenotype were reversed by genetic silencing or pharmacological inhibition of BCL2 in a caspase-dependent manner. BCL2-inhibitor venetoclax (VEN) enhancement of AraC efficacy was independent of differentiation phenotype, a characteristic of response to another combination of VEN with hypomethylating agents (HMA). Furthermore, transcriptional profiles of patients with low response to VEN+AraC mirrored those of low responders to VEN+HMA in clinical trials. OxPHOS was found to be a patient stratification marker predictive of effective response to VEN+AraC but not to VEN+AZA. Importantly, whereas three cell subpopulations specifically emerged in VEN+AraC residual disease and were characterized by distinct developmental and transcriptional programs largely driven by MITF, E2F4 and p53 regulons, they each encoded proteins involved in assembly of NADH dehydrogenase complex. Notably, treatment of VEN+AraC-persisting AML cells with an ETCI inhibitor significantly increased the time-to-relapse in vivo . These findings provide the scientific rationale for new clinical trials of VEN+AraC combinations, especially in patients relapsing or non-responsive to chemotherapy, or after failure of frontline VEN+HMA regimen.

ABSTRACT While transcription factor C/AAT-enhancer binding protein α (C/EBPα) is critical for normal and leukemic differentiation, its role on cell and metabolic homeostasis is largely unknown in cancer. Here, multi-omics analyses uncovered a coordinated activation of C/EBPα and Fms-like tyrosine kinase 3 (FLT3) that increased lipid anabolism in vivo and in patients with FLT3 -mutant acute myeloid leukemia (AML). Mechanistically, C/EBPα regulated FASN-SCD axis to promote fatty acid (FA) biosynthesis and desaturation. We further demonstrated that FLT3 or C/EBPα inactivation decreased mono-unsaturated FAs incorporation to membrane phospholipids through SCD downregulation. Consequently, SCD inhibition enhanced susceptibility to lipid redox stress. Moreover, this C/EBPα-dependent adaptation of FA homeostasis was exploited by combining FLT3 and glutathione peroxidase 4 (GPX4) inhibition to trigger lipid oxidative stress, enhancing ferroptotic death of FLT3 -mutant AML cells. Altogether, our study reveals a C/EBPα function in lipid homeostasis and adaptation to redox stress, and a previously unreported vulnerability of FLT3-mutant AML with promising therapeutic application. SIGNIFICANCE The transcription factor C/EBPα is as a master regulator of normal and leukemic myeloid differentiation. Here, we discovered that C/EBPα regulates fatty acid biosynthesis and metabolic adaptation to redox imbalance in leukemic cells. This confers a vulnerability to lipid oxidative stress to FLT3 -mutant cells and supports novel therapeutic opportunities for patients.

Abstract Identification of specific and therapeutically actionable vulnerabilities in acute myeloid leukaemia (AML) is needed to improve patients’ outcome. These features should be ideally present in many patients independently of mutational background. Here we identify de novo fatty acid (FA) desaturation, specifically stearoyl-CoA desaturase (SCD) inhibition, as a therapeutic vulnerability across multiple AML models in vitro and in vivo . We use the novel clinical grade SCD inhibitor SSI-4 to show that SCD inhibition induces AML cell death via pleiotropic effects, and sensitivity is based on their dependency on FA desaturation regardless of mutational profile. SSI-4 efficacy is enhanced by driving FA biosynthesis in vitro while stroma confers protective effects that extend to in vivo models. SCD inhibition increases DNA damage and its combination with standard DNA damage-inducing chemotherapy prolongs survival in aggressive murine AML models. Our work supports developing FA desaturase inhibitors in AML while stressing the importance of identifying predictive biomarkers of response and biologically validated combination therapies to realize their therapeutic potential. One Sentence Summary SCD inhibition is toxic to AML cells with high rates of fatty acid desaturation and in combination with chemotherapy prolongs survival in murine AML models.

Relapses driven by chemoresistant leukemic cell populations are the main cause of mortality for patients with acute myeloid leukemia (AML). Here, we show that the ectonucleotidase CD39 (ENTPD1) is upregulated in cytarabine (AraC)-resistant leukemic cells from both AML cell lines and patient samples in vivo and in vitro. CD39 cell surface expression and activity is increased in AML patients upon chemotherapy compared to diagnosis and enrichment in CD39-expressing blasts is a marker of adverse prognosis in the clinics. High CD39 activity promotes AraC resistance by enhancing mitochondrial activity and biogenesis through activation of a cAMP-mediated response. Finally, genetic and pharmacological inhibition of CD39 eATPase activity blocks the mitochondrial reprogramming triggered by AraC treatment and markedly enhances its cytotoxicity in AML cells in vitro and in vivo. Together, these results reveal CD39 as a new prognostic marker and a promising therapeutic target to improve chemotherapy response in AML.

Isocitrate dehydrogenases (IDH) are involved in redox control and central metabolism. Mutations in IDH induce epigenetic and transcriptional reprogramming, differentiation bias, BCL-2 dependence and susceptibility to mitochondrial inhibitors in cancer cells. Here we show that high sensitivity to mitochondrial oxidative phosphorylation (OxPHOS) inhibitors is due to an enhanced mitochondrial oxidative metabolism in cell lines, PDX and patients with acute myeloid leukemia (AML) harboring IDH mutation. Along with an increase in TCA cycle intermediates, this AML-specific metabolic behavior mechanistically occurs through the increase in methylation-driven CEBPα- and CPT1a-induced fatty acid oxidation, electron transport chain complex I activity and mitochondrial respiration in IDH1 mutant AML. Furthermore, an IDH mutant inhibitor that significantly and systematically reduces 2-HG oncometabolite transiently reverses mitochondrial FAO and OxPHOS gene signature and activities in patients who responded to the treatment and achieved the remission. However, at relapse or in patients who did not respond, IDH mutant inhibitor failed to block these mitochondrial properties. Accordingly, OxPHOS inhibitors such as IACS-010759 improve anti-AML efficacy of IDH mutant inhibitors alone and in combination with chemotherapy in vivo. This work provides a scientific rationale for combinatory mitochondrial-targeted therapies to treat IDH mutant-positive AML patients, especially those unresponsive to or relapsing from IDH mutant-specific inhibitors.

Pancreatic Ductal Adenocarcinoma (PDAC) remains a major unresolved disease because of its remarkable therapeutic resistance. Even patients who respond to initial therapy experience relapse in most cases. The mechanisms underlying therapy-acquired resistance supporting relapse are poorly understood. In this study, we aimed to determine the metabolic features of PDAC during relapse, specifically adaptations of mitochondrial and redox metabolism. We used preclinical PDAC mouse models (patient-derived xenografts and murine syngeneic allografts) that present complete regression under initial chemotherapeutic treatment but relapse after a certain time. Relapsed tumors were analyzed ex vivo by flow cytometry to measure mitochondrial and redox characteristics. Molecular mechanisms were investigated by quantification of ATP and antioxidants levels, RT-qPCR and bulk RNA-sequencing. Our findings show that mitochondrial metabolism is reprogrammed during relapse, with increased mitochondrial mass, ATP levels, mitochondrial superoxide anions, and total ROS levels, in relapsed compared to control tumors in both models; mitochondrial membrane potential is increased in the xenografts model only. This mitochondrial metabolic reprogramming occurs during treatment-induced regression and at relapse onset. At the molecular level, antioxidant defenses are increased in relapsed tumors and during treatment. These data suggest that treatment-induced oxidative stress may cause the appearance of treatment-adapted cells, known as drug-tolerant persister (DTP) cells. Finally, the combined treatment of arsenic trioxide (ROS inducer) and buthionine sulfoximine (glutathione synthesis inhibitor) is able to completely prevent relapse in PDAC xenografts. In conclusion, targeting redox metabolism via ROS production and antioxidant inhibition is a very promising approach to prevent relapse in PDAC patients.

Drug tolerant leukemic cell subpopulations may explain frequent relapses in acute myeloid leukemia (AML), suggesting that these Relapse-Initiating Cells (RICs) persistent after chemotherapy represent bona fide targets to prevent drug resistance and relapse. We uncovered that the G-protein coupled receptor CALCRL is expressed in leukemic stem cells (LSCs) and RICs, and that the overexpression of CALCRL and/or of its ligand adrenomedullin (ADM) and not CGRP correlates to adverse outcome in AML. CALCRL knockdown impairs leukemic growth, decreases LSC frequency and sensitizes to cytarabine in patient-derived xenograft (PDX) models. Mechanistically, the ADM-CALCRL axis drives cell cycle, DNA repair and mitochondrial OxPHOS function of AML blasts dependent on E2F1 and BCL2. Finally, CALCRL depletion reduces LSC frequency of RICs post-chemotherapy in vivo . In summary, our data highlight a critical role of ADM-CALCRL in post-chemotherapy persistence of these cells, and disclose a promising therapeutic target to prevent relapse in AML.