Abstract Background Quiescence (G0) is a transient, cell cycle-arrested state. By entering G0, cancer cells survive unfavorable conditions such as chemotherapy and cause relapse. While G0 cells have been studied at the transcriptome level, how post-transcriptional regulation contributes to their chemoresistance remains unknown. Results We induced chemoresistant and quiescent (G0) leukemic cells by serum-starvation or chemotherapy treatment. To study post-transcriptional regulation in G0 leukemic cells, we systematically analyzed their transcriptome, translatome, and proteome. We find that our resistant G0 cells recapitulate gene expression profiles of in vivo chemoresistant leukemic and G0 models. In G0 cells, canonical translation initiation is inhibited; yet we find that inflammatory genes are highly translated, indicating alternative post-transcriptional regulation. Importantly, AU-rich elements (AREs) are significantly enriched in the up-regulated G0 translatome and transcriptome. Mechanistically, we find the stress-responsive p38 MAPK-MK2 signaling pathway stabilizes ARE mRNAs by phosphorylation and inactivation of mRNA decay factor, tristetraprolin (TTP) in G0. This permits expression of ARE-bearing TNFα and DUSP1 that promote chemoresistance. Conversely, inhibition of TTP phophorylation by p38 MAPK inhibitors and non-phosphorylatable TTP mutant decreases ARE mRNAs and sensitizes leukemic cells to chemotherapy. Furthermore, co-inhibiting p38 MAPK and TNFα—prior to or along with chemotherapy—substantially reduced chemoresistance in primary leukemic cells ex vivo and in vivo . Conclusions These studies uncover post-transcriptional regulation underlying chemoresistance in leukemia. Our data reveal the p38 MAPK-MK2-TTP axis as a key regulator of expression of ARE bearing mRNAs that promote chemoresistance. By disrupting this pathway, we developed an effective combination therapy against chemosurvival.

Our data previously revealed that chemosurviving cancer cells translate specific genes. Here, we find that the m6A-RNA-methyltransferase, METTL3, increases transiently in chemotherapy-treated breast cancer and leukemic cells in vitro and in vivo. Consistently, m6A increases on RNA from chemo-treated cells, and is needed for chemosurvival. This is regulated by eIF2α phosphorylation and mTOR inhibition upon therapy treatment. METTL3 mRNA purification reveals that eIF3 promotes METTL3 translation that is reduced by mutating a 5'UTR m6A-motif or depleting METTL3. METTL3 increase is transient after therapy treatment, as metabolic enzymes that control methylation and thus m6A levels on METTL3 RNA, are altered over time after therapy. Increased METTL3 reduces proliferation and anti-viral immune response genes, and enhances invasion genes, which promote tumor survival. Consistently, overriding phospho-eIF2α prevents METTL3 elevation, and reduces chemosurvival and immune-cell migration. These data reveal that therapy-induced stress signals transiently upregulate METTL3 translation, to alter gene expression for tumor survival.