To get more insight into plant cell response to cadmium (Cd) stress, both proteomic and metabolomic "differential display" analyses were performed on Arabidopsis thaliana cells exposed to different concentrations of the toxic chemical. After a 24 h treatment, soluble proteins extracted from untreated and treated cells were separated by 2-D-PAGE and image analyses were performed to quantify and compare protein levels. Proteins up- and down-regulated in response to Cd were identified by MS and mapped into specific metabolic pathways and cellular processes, highlighting probable activation of the carbon, nitrogen, and sulfur metabolic pathways. For some of these proteins, Northern blot and RT-PCR analyses were performed to test transcript accumulation in response to Cd. In parallel, metabolite profiling analyses by LC coupled to ESI MS were initiated to better characterize the metabolic adaptation to the chemical stress. This study revealed that the main variation at the metabolite level came from the presence of six different families of phytochelatins, in A. thaliana cells treated with Cd, whose accumulation increases with Cd concentrations. Taken together these data provide an overview of the molecular and cellular changes elicited by Cd exposure.

Human leukemic stem cells, like other cancer stem cells, are hypothesized to be rare, capable of incomplete differentiation, and restricted to a phenotype associated with early hematopoietic progenitors or stem cells. However, recent work in other types of tumors has challenged the cancer stem cell model. Using a robust model of xenotransplantation based on NOD/SCID/IL2Rγc-deficient mice, we confirmed that human leukemic stem cells, functionally defined by us as SCID leukemia-initiating cells (SL-ICs), are rare in acute myelogenous leukemia (AML). In contrast to previous results, SL-ICs were found among cells expressing lineage markers (i.e., among Lin+ cells), CD38, or CD45RA, all markers associated with normal committed progenitors. Remarkably, each engrafting fraction consistently recapitulated the original phenotypic diversity of the primary AML specimen and contained self-renewing leukemic stem cells, as demonstrated by secondary transplants. While SL-ICs were enriched in the Lin-CD38- fraction compared with the other fractions analyzed, SL-ICs in this fraction represented only one-third of all SL-ICs present in the unfractionated specimen. These results indicate that human AML stem cells are rare and enriched but not restricted to the phenotype associated with normal primitive hematopoietic cells. These results suggest a plasticity of the cancer stem cell phenotype that we believe has not been previously described.

Key Points Bone marrow mesenchymal stromal cells transfer functional mitochondria to AML cells in vitro and in vivo through endocytic pathways. This mitochondria transfer is enhanced by some chemotherapies and confers a survival advantage to leukemic blasts and leukemia initiating cells.

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 The PEAK1 and pragmin/PEAK2 pseudo-kinases have emerged as important components of the protein tyrosine kinase pathway implicated in cancer progression. They can signal by a scaffolding mechanism that involves a conserved split helical dimerization (SHED) module. We recently identified PEAK3 as a novel member of this family based on structural homology; however, its signalling mechanism remains unclear. Here, we found that although it can self-associate, PEAK3 shows higher evolutionary divergence than PEAK1/2. Moreover, PEAK3 protein is strongly expressed in human haematopoietic cells, and is upregulated in acute myeloid leukaemia. Functionally, PEAK3 overexpression in U2OS sarcoma cells enhanced their growth and migratory properties, while its silencing in THP1 leukemic cells reduced these effects. Importantly, an intact SHED module was required for these PEAK3 oncogenic activities. Mechanistically, through a phosphokinase survey, we identified PEAK3 as a novel inducer of AKT signalling, independent of growth factor stimulation. Then, proteomic analyses revealed that PEAK3 interacts with the signalling proteins GRB2 and ASAP1/2 and the protein kinase PYK2, and that these interactions require the SHED domain. Moreover, PEAK3 activated PYK2 to promote AKT signalling. Thus, the PEAK1-3 pseudo-kinases may use a conserved SHED-dependent mechanism to activate specific signalling proteins to promote oncogenesis.

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.

ABSTRACT Despite tremendous efforts from the scientific community, pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is still a deadly disease and will soon become the second cause of death by cancer worldwide 1 . When surgery is not possible, therapeutic options are few and ineffective 2 . Patients are most often treated with Folfirinox or gemcitabine chemotherapy, that extends survival in weeks to months. Cytidine deaminase (CDA) catalyzes the irreversible hydrolytic deamination of cytidine and deoxycytidine to uridine and deoxyuridine to fuel RNA and DNA synthesis 3 . CDA also deaminates and neutralizes deoxycytidine-based therapies, and as such, has been identified as a major contributor of tumor chemoresistance, especially to gemcitabine in PDAC 3 . We previously identified that CDA is elevated in PDAC tumors at diagnosis and that CDA exerts an unexpected role on DNA replication that can be exploited for therapeutic intervention 4 . Very recently, CDA was associated with cellular metabolism 5 . Here, we show that CDA promotes mitochondrial biogenesis and oxidative phosphorylation independently of its deaminase activity. This uncloaks novel therapeutic vulnerabilities in primary cancer cells that overexpress this protein. This study shines a new light on the tumoral potential of CDA in PDAC.

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.

Differentiation therapies using All-trans-retinoic acid (ATRA) are highly efficient at treating Acute Promyelocytic Leukemia (APL), a minor subtype of Acute Myeloid Leukemias (AML). However, their efficacy, if any, is very limited in the case of non-APL AMLs. We report here that the inhibition of SUMOylation, a post-translational modification related to ubiquitinylation, restores the pro-differentiation and anti-proliferative activities of retinoids in non-APL AMLs. Controlled inhibition of SUMOylation with pharmacological inhibitors (2-D08 or anacardic acid), or via overexpression of SENP desumoylases, strongly enhances the ATRA-induced expression of key genes involved in differentiation, proliferation and apoptosis in non-APL AML cells. This activates ATRA-induced terminal myeloid differentiation and reduces cell proliferation and viability, including in AML cells resistant to chemotherapeutic drugs. Conversely, enhancement of SUMOylation by overexpressing the SUMO-conjugating enzyme Ubc9 dampens the expression of ATRA-responsive genes and prevents differentiation. Thus, inhibition of the SUMO pathway is a promising strategy to sensitize non-APL AML patients to retinoids and improve the treatment of this poor prognosis cancer, which has not significantly changed over the past 40 years.