Abstract Chemotherapy-resistant human acute myeloid leukemia (AML) cells are thought to be enriched in quiescent immature leukemic stem cells (LSC). To validate this hypothesis in vivo, we developed a clinically relevant chemotherapeutic approach treating patient-derived xenografts (PDX) with cytarabine (AraC). AraC residual AML cells are enriched in neither immature, quiescent cells nor LSCs. Strikingly, AraC-resistant preexisting and persisting cells displayed high levels of reactive oxygen species, showed increased mitochondrial mass, and retained active polarized mitochondria, consistent with a high oxidative phosphorylation (OXPHOS) status. AraC residual cells exhibited increased fatty-acid oxidation, upregulated CD36 expression, and a high OXPHOS gene signature predictive for treatment response in PDX and patients with AML. High OXPHOS but not low OXPHOS human AML cell lines were chemoresistant in vivo. Targeting mitochondrial protein synthesis, electron transfer, or fatty-acid oxidation induced an energetic shift toward low OXPHOS and markedly enhanced antileukemic effects of AraC. Together, this study demonstrates that essential mitochondrial functions contribute to AraC resistance in AML and are a robust hallmark of AraC sensitivity and a promising therapeutic avenue to treat AML residual disease. Significance: AraC-resistant AML cells exhibit metabolic features and gene signatures consistent with a high OXPHOS status. In these cells, targeting mitochondrial metabolism through the CD36–FAO–OXPHOS axis induces an energetic shift toward low OXPHOS and strongly enhanced antileukemic effects of AraC, offering a promising avenue to design new therapeutic strategies and fight AraC resistance in AML. Cancer Discov; 7(7); 716–35. ©2017 AACR. See related commentary by Schimmer, p. 670. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 653

Abstract In acute myeloid leukemia (AML), the stromal microenvironment plays a prominent role in promoting tumor cell survival and progression. Although widely explored, the crosstalk between leukemic and stromal cells remains poorly understood. Syntenin, a multi-domain PDZ protein, controls both the trafficking and signaling of key molecules involved in intercellular communication. Therefore, we aimed to clarify the role of environmental syntenin in the progression of AML. By in vivo approaches in syngeneic mice, we demonstrate that a syntenin-deficient environment reprograms AML blasts to survive independently of the stroma. Up-regulation of EEF1A2 in the blasts controls this gain of cell survival. Furthermore, using ex vivo co-culture systems, we show that syntenin-deficient bone marrow stromal cells (BMSC) enhance the survival of different types of AML cells, including patient samples, and suffice to educate syngeneic AML, recapitulating micro-environmental effects observed in vivo. We establish that syntenin-deficiency causes an increase of eIF5A and autophagy-related factors in BMSC, and provide evidence that the inhibition of autophagy prevents syntenin-deficient BMSC to stimulate AML survival. Altogether, these findings indicate that host-syntenin in the BM microenvironment acts as a repressor of AML aggressiveness. Key points - A syntenin-deficient host reprograms AML blasts, enhancing total protein synthesis and cell survival pathways - Autophagy in the syntenin-deficient microenvironment is responsible for the gain of AML cell survival

Abstract The Nef protein of human and simian immunodeficiency viruses (HIV and SIV, respectively) boosts viral pathogenicity through its interactions with host cell proteins. Nef has a folded core domain and large flexible regions, each carrying several protein interaction sites. By combining the polyvalency intrinsic to unstructured regions with the binding selectivity and strength of a 3D folded domain, Nef can bind to many different host cell proteins, perturbing their cellular functions. For example, the combination of a linear proline-rich motif and a hydrophobic core domain surface allows Nef to increase affinity and selectivity for particular Src family SH3 domains. Here we investigated whether the interplay between Nef’s flexible regions and its core domain can allosterically influence ligand selection. We found that the flexible regions can bind back to the core domain in different ways, producing distinct conformational states that alter the SH3 domain selectivity and availability of Nef’s functional motifs. The resulting cross-talk might help synergising certain subsets of ligands while excluding others, promoting functionally coherent Nef-bound protein ensembles. Further, we combined proteomic and bioinformatic analyses to identify human proteins that select SH3 domains in the same way as does Nef. We found that only 2–3% of clones from a whole human fetal library displayed a Nef-like SH3 selectivity. However, in most cases this selectivity appears to be achieved by a canonical linear interaction rather than a Nef-like ‘tertiary’ interaction. This analysis suggests that Nef’s SH3 recognition surface has no (or marginally few) cellular counterparts, validating the Nef tertiary binding surface as a promising unique drug target.

Abstract The crosstalk between cancer and stromal cells plays a critical role in tumor progression. Syntenin is a small scaffold protein involved in the regulation of intercellular communication that is emerging as a target for cancer therapy. Here, we show that certain aggressive forms of acute myeloid leukemia (AML) reduce the expression of syntenin in bone marrow stromal cells (BMSC), stromal syntenin deficiency, in turn, generating a pro-tumoral microenvironment. From serial transplantations in mice and co-culture experiments, we conclude that syntenin-deficient BMSC stimulate AML aggressiveness by promoting AML cell survival and protein synthesis. This pro-tumoral activity is supported by increased expression of endoglin, a classical marker of BMSC, which in trans stimulates AML translational activity. In short, our study reveals a vicious signaling loop potentially at the heart of AML-stroma crosstalk and unsuspected tumor-suppressive effects of syntenin that need to be considered during systemic targeting of syntenin in cancer therapy.

ABSTRACT Differentially screening the Fr-PPIChem chemical library on the BET BRD4-BDII versus -BDI bromodomains led to the discovery of a BDII selective tetrahydropyridothienopyrimidinone (THPTP)-based compound. Structure-activity relationship (SAR) and hit-to-lead approaches allowed us to develop CRCM5484, a potent inhibitor of BET proteins with a preferential and 475-fold selectivity for the second bromodomain of the BRD3 protein (BRD3-BDII) over its first bromodomain (BRD3-BDI). Its very low activity was demonstrated in various cell-based assays, corresponding with recent data describing other selective BDII compounds. However, screening on a drug sensitivity and resistance-profiling platform revealed its ability to modulate the anti-leukemic activity in combination with various FDA-approved and/or in-development drugs in a cell- and context-dependent differential manner. Altogether, the results confirm the originality of the THPTP molecular mode of action in the BD cavity and its potential as starting scaffold for the development of potent and selective bromodomain inhibitors.

Abstract The concept of polypharmacology involves the interaction of drug molecules with multiple molecular targets. It provides a unique opportunity for the repurposing of already-approved drugs to target key factors involved in human diseases. Herein, we used an in silico target prediction algorithm to investigate the mechanism of action of mebendazole, an anti-helminthic drug, currently repurposed in the treatment of brain tumors. First, we confirmed that mebendazole decreased the viability of glioblastoma cells in vitro . Our in silico approach unveiled 21 putative molecular targets for mebendazole, including 12 proteins significantly up-regulated at the gene level in glioblastoma as compared to normal brain tissue. Validation experiments were performed on three major kinases involved in cancer biology: ABL1, MAPK1/ERK2 and MAPK14/p38α. Mebendazole could inhibit the activity of these kinases in vitro in a dose-dependent manner, with a high potency against MAPK14. Its direct binding to MAPK14 was further validated in vitro and inhibition of MAPK14 kinase activity was confirmed in live glioblastoma cells. Consistent with biophysical data, molecular modeling suggested that mebendazole was able to bind to the catalytic site of MAPK14. Finally, gene silencing demonstrated that MAPK14 is involved in glioblastoma tumor spheroid growth and response to mebendazole treatment. This study thus highlighted the role of MAPK14 in the anticancer mechanism of action of mebendazole and provides further rationale for the pharmacological targeting of MAPK14 in brain tumors. It also opens new avenues for the development of novel MAPK14/p38α inhibitors to treat human diseases. Significance Statement This study provides a framework to investigate drug polypharmacology by rapidly identifying novel molecular targets of already-approved drugs. It unveils a new mechanism involved in the anticancer activity of anti-helminthic drug, mebendazole, which is currently being repurposed for the treatment of brain tumors. By helping to decipher the mechanism(s) of action of repurposed drugs in their new indications, this approach could contribute to the development of safer and more effective therapeutic strategies in oncology and beyond.

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.