Crosstalk between glutaminolysis and autophagy in AML cells

Abstract

Acute myeloid leukemia (AML) comprises a group of hematologic neoplasms characterized by abnormal differentiation and proliferation of immature progenitor’s hematopoietic cells. In the last years, an enormous progress has been achieved concerning the molecular pathogenesis of AML, however the molecular mechanisms underlying chemoresistance and disease progression are still poorly understood. Glutaminolysis, which consists on the conversion of glutamine to glutamate and ammonia by glutaminase has been described as critical for many fundamental cell functions in cancer cells, including AML cells. Furthermore, autophagy, a self-degradative process in which cellular components are sequestered and delivered to lysosomes for degradation, apparently also has a role in AML, but its relevance is still controversial. It was previously shown that autophagy is strongly induced in AML cells by either glutamine removal or L asparaginase treatment, nevertheless, the crosstalk between glutaminolysis and autophagy has been barely explored in AML cells. Thus, the main goal of this work was to get new insights on the coordinated regulation of glutaminolysis and autophagy and consequently the impact of their crosstalk in AML cell’s survival and treatment response. Using three heterogeneous AML cell lines, namely the KG-1 leukemia cell line derived from a patient with erythroleukemia, NB-4 that is a model of acute promyelocytic leukemia (patient in second relapse) and HL-60 that is an M2 derived cell line, we showed that distinct AML subtypes present different glutaminolysis dependency and autophagy activity. The more glycolytic cell line, NB-4, displayed the highest extracellular ammonia levels associated with low autophagy activity in comparison with the other AML cell lines, suggesting that higher glutaminolysis activity might be associated with inhibition of glycolytic flux. Glutaminolysis manipulation, through pharmacological inhibition, increased autophagy flux and decreased cell survival. Although the combined treatment with conventional chemotherapy and glutaminolysis inhibition did not increase the cell death promoted by treatment with conventional chemotherapy alone, it was able to modulate autophagy activity. In NB-4 cells, the cell death was accompanied with increased autophagy levels, while in HL-60 cells, it was associated with decreased autophagy flux. Overall, data suggests a distinct glutaminolysis dependency of the three AML subtypes and points to an important crosstalk glutaminolysis and autophagy that could be a promising target for the development of new therapeutic strategies.

A leucemia mielóide aguda (LMA) compreende um grupo de neoplasias hematológicas caracterizadas por diferenciação anormal e proliferação de células hematopoiéticas progenitoras imaturas. Nos últimos anos, um enorme progresso foi alcançado com relação à patogénese molecular da LMA, mas os mecanismos moleculares subjacentes de resistência à quimioterapia e à progressão da doença são ainda pouco conhecidos. A glutaminólise, que consiste na conversão de glutamina em glutamato e com consequente produção de amónia pela glutaminase, tem sido descrita como fundamental para muitas funções celulares das células cancerígenas, entre as quais se incluem as células de LMA. Além disso, a autofagia, um processo auto-degradativo no qual os componentes celulares são sequestrados e posteriormente degradas pelos lisossomas, aparentemente também tem um papel importante na LMA, mas sua relevância ainda é controversa. Estudos prévios demonstram que a autofagia é fortemente induzida em células LMA por remoção de glutamina ou tratamento com L-asparaginase, no entanto, a relação entre glutaminólise e autofagia tem sido pouco explorado neste contexto. Assim, o objetivo principal deste trabalho foi o de obter novos conhecimentos sobre a regulação coordenada da glutaminólise e autofagia e, consequentemente, o impacto da sua relação na resposta de sobrevivência e tratamento das células LMA. Para isso, três linhas celulares heterogéneas de LMA foram usadas, nomeadamente a linha celular de leucemia KG-1 derivada de um doente com eritroleucemia, NB-4 que é um modelo de leucemia promielocítica aguda (doente em segunda recaída) e HL-60 que é uma linha celular derivada de M2, mostramos que os subtipos distintos de LMA apresentam diferentes dependências da glutaminólise e da atividade de autofagia. A linhagem celular mais glicolítica, NB-4, apresentou os maiores níveis de amónia extracelular associados a uma baixa atividade de autofagia em comparação com as outras linhagens de células LMA, sugerindo que uma maior atividade da glutaminólise pode estar associada à inibição do fluxo glicolítico. A manipulação da glutaminólise, através da inibição farmacológica, aumentou o fluxo de autofagia e diminuiu a sobrevida celular. Embora o tratamento combinado de quimioterapia convencional com a inibição da glutaminólise não tenha potenciado a morte celular promovida pelo tratamento apenas com a quimioterapia convencional, esta terapia combinada foi capaz de modular a atividade da autofagia. Nas células NB-4, a morte celular foi acompanhada com aumento dos níveis de autofagia, enquanto nas células HL-60 foi associada à diminuição do fluxo de autofagia. Em suma, os dados sugerem uma dependência distinta da glutaminólise dos três subtipos de LMA avaliados e apontam para um importante papel da glutaminólise e autofagia, que pode ser um alvo promissor para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas.