Abstract Aberrant activation of the NLR family pyrin domain containing 3 (NLRP3) inflammasome mediates numerous inflammatory diseases. Oncogenes can activate the NLRP3 inflammasome and thereby promote myeloproliferative neoplasia, suggesting a crucial role of NLRP3 in the malignant transformation of hematopoietic cells. Here, we show that bone marrow-derived mononuclear cells of AML patients display enhanced expression of NLRP3, IL-1β and IL-18 and that high-level expression of NLRP3 is linked to poor survival of AML patients. Pharmacological and genetic inhibition of NLRP3 inflammasome activation attenuated cell proliferation of MOLM-13 AML cells in vitro . In vivo , genetic inhibition of NLRP3 in MOLM-13 AML cells resulted in reduced engraftment potential in xenografts, along with reduced splenomegaly and organ infiltration. Differential proteomic analysis revealed the eIF2 pathway as potential target of NLRP3 in AML, with a significant increase of eIF2α phosphorylation upon NLRP3 inhibition. NLRP3 inhibition also caused a strong decrease in cyclin – dependent kinases CDK4 and CDK6, accompanied by an upregulation of the CDK inhibitor p21 (CDKN1A) and a marked arrest of cell cycle progression in the G0/G1 phase, consistent with the role of eIF2α phosphorylation as negative cell cycle regulator. Taken together, we show that inhibition of the NLRP3 inflammasome reduces AML cell proliferation by promoting eIF2α phosphorylation, which in turn enhances the expression of cell cycle arrest genes such as p21. Thus, the study uncovers the NLRP3/eIF2 axis as new driver of AML proliferation and proposes a novel therapeutic treatment of AML by targeted inhibition of NLRP3 activation.

Abstract Background Acute myeloid leukemia (AML) is characterized by the abnormal proliferation of myeloid precursor cells and presents significant challenges in treatment due to its heterogeneity. Recently, the NLRP3 inflammasome has emerged as a potential contributor to AML pathogenesis, although its precise mechanisms remain poorly understood. Methods Public genome datasets were utilized to evaluate the expression of NLRP3 inflammasome-related genes (IL-1β, IL-18, ASC, and NLRP3) in AML patients compared to healthy individuals. CRISPR/Cas9 technology was employed to generate NLRP3-deficient MOLM-13 AML cells, followed by comprehensive characterization using real-time PCR, western blotting, FACS analysis, and transmission electron and immunofluorescence microscopy. Proteomic analyses were conducted to identify NLRP3-dependent alterations in protein levels, with a focus on the eIF2 kinase PERK-mediated signaling pathways. Additionally, in vivo studies were performed using a leukemic mouse model to elucidate the pathogenic role of NLRP3 in AML. Results Elevated expression of NLRP3 was significantly associated with diminished overall survival in AML patients. Genetic deletion, pharmacological inhibition and silencing by RNA interference of NLRP3 led to decreased AML cell survival through the induction of apoptosis. Proteomic analyses uncovered NLRP3-dependent alterations in protein translation, characterized by enhanced eIF2α phosphorylation in NLRP3-deficient AML cells. Moreover, inhibition of PERK-mediated eIF2α phosphorylation reduced apoptosis by downregulating pro-apoptotic Bcl-2 family members. In vivo studies demonstrated reduced leukemic burden in mice engrafted with NLRP3 knockout AML cells, as evidenced by alleviated leukemic symptoms. Conclusion Our findings elucidate the involvement of the NLRP3/PERK/eIF2 axis as a novel driver of AML cell survival. Targeting NLRP3-induced signaling pathways, particularly through the PERK/eIF2 axis, presents a promising therapeutic strategy for AML intervention. These insights into the role of the NLRP3 inflammasome offer potential avenues for improving the prognosis and treatment outcomes of AML patients.