Histone demethylase KDM6A/UTX reprograms cell metabolism in cancer.

Rewiring of cell metabolism is a recognized hallmark of cancer progression. Several histone modifiers have been shown to impact on metabolic phenotypes. Histone demethylases 6A (KDM6A), also known as ubiquitously transcribed tetratricopeptide repeat on chromosome X (UTX) is part of the MLL3/4 histone H3K4 methyltransferase complex. KDM6A removes the di- and tri-methylation on lysine 27 on histone H3 (H3K27me2/3) that are transcriptional repressing histone modifications. The role of KDM6A is mainly related to cell differentiation and development. Instead, KDM6A’s function in cancer is largely unknown. KDM6A is among the most frequently mutated and deleted genes in the cancer genome, and yet its role in tumorigenesis remains undefined. In this study we aim to determine whether KDM6A inactivation drives alterations in cancer metabolism. To further elucidate the role of KDM6A in cancer we analyzed transcriptomics data from different cancer patients coming from the Pan Cancer Atlas (TCGA). We observed that oxidative phosphorylation (OXPHOS) was commonly the most upregulated pathway in patients with low KDM6A expression. In light of this, we hypothesized that KDM6A may have a function in cancer metabolism, specifically, as a stabilizer of the metabolic response, and that cancer cells downregulate KDM6A in order to increase their metabolic rate during the progression of the disease. This speculation prompted us to characterize the potential metabolic phenotype associated with KDM6A loss by setting up an in vitro model based on lentiviral vector downregulation of KDM6A expression in the U-2 OS cells. In this model, we found that an increase in mitochondrial mass enables KDM6A knock-down (KD) cells to increase the expression of electron transport chain (ETC) genes. KDM6A KD cells experienced a mitochondrial enrichment generated by the overexpression of PPARGC1A to increase the OXPHOS pathway. Multiple myeloma (MM) is the second most frequent hematological cancer and originates from the monoclonal expansion of plasma cells in the bone marrow. Despite the recent introduction of novel, more effective therapies, MM remains an incurable cancer. Our lab contributed to the identification of KDM6A as a frequently mutated gene in MM. Indeed, when we analyzed the CoMMpassSM dataset from the Multiple Myeloma Research Foundation (MMRF®), we found that KDM6A is deleted in up to 48% of the female and 24% of the male patients, in particular, specific KDM6A focal deletions affect 5% of female and 3% of male patients. This observation suggests a tumor-suppressor role for KDM6A in MM. Thus, we switched to a CRISPR-Cas9 KDM6A knock-out (KO) MM cell line model. Surprisingly, we noticed that a small PPARGC1A upregulation in KDM6A KO MM cells increased neither the mitochondrial mass nor the oxidative pathway. Instead, we demonstrated that KDM6A KO enhanced the mTORC1 pathway and glycolysis leading to increased sensitivity to mTOR inhibitors. Mechanistically, we detected the known mTORC1 inhibitor TRAF3IP3 as a putative KDM6A target. Overall, our work revealed new metabolic vulnerabilities of cancer and in particular of MM.

L’alterazione del metabolismo cellulare è un segno distintivo riconosciuto della progressione del cancro. Diversi modificatori istonici hanno dimostrato di avere un impatto sui fenotipi metabolici. L'istone demetilasi 6A (KDM6A), noto anche come “ubiquitously transcribed tetratricopeptide repeat on chromosome X” (UTX), fa parte del complesso della metiltransferasi dell'istone H3K4 MLL3/4. KDM6A rimuove la di- e tri-metilazione sulla lisina 27 sull'istone H3 (H3K27me2/3) che sono modifiche istoniche repressorie della trascrizione. Il ruolo di KDM6A è principalmente correlato al differenziamento cellulare e allo sviluppo. Invece, la funzione di KDM6A nel cancro è in gran parte sconosciuta. KDM6A è tra i geni più frequentemente mutati ed repressi nel genoma del cancro, eppure il suo ruolo nella tumorigenesi rimane indefinito. In questo studio miriamo a determinare se l'inattivazione di KDM6A determina alterazioni nel metabolismo del cancro. Per chiarire ulteriormente il ruolo di KDM6A nel cancro abbiamo analizzato i dati di trascrittomica di diversi pazienti affetti da cancro provenienti dal Pan Cancer Atlas (TCGA). Abbiamo osservato che la fosforilazione ossidativa era comunemente il fenotipo più incrementato nei pazienti con bassa espressione di KDM6A. Alla luce di ciò, abbiamo ipotizzato che KDM6A possa avere una funzione nel metabolismo del cancro, in particolare, come stabilizzatore della risposta metabolica, e che le cellule tumorali perdono KDM6A per aumentare il loro metabolismo durante la progressione della malattia. Questa ipotesi ci ha spinto a caratterizzare il potenziale fenotipo metabolico associato alla perdita di KDM6A creando un modello in vitro basato sulla repressione di KDM6A tramite vettore lentivirale nelle cellule U-2 OS. In questo modello, abbiamo scoperto che un aumento della massa mitocondriale consente alle cellule KDM6A knock-down (KD) di aumentare l'espressione dei geni della catena di trasporto degli elettroni. Le cellule KDM6A KD hanno sperimentato un arricchimento mitocondriale generato dall’aumento dell’espressione di PPARGC1A per aumentare la fosforilazione ossidativa. Il mieloma multiplo (MM) è il secondo tumore ematologico più frequente e origina dall'espansione monoclonale delle plasmacellule nel midollo osseo. Nonostante la recente introduzione di nuove terapie più efficaci, il MM rimane un cancro incurabile. Il nostro laboratorio ha contribuito all'identificazione di KDM6A come gene frequentemente mutato nel MM. Infatti, quando abbiamo analizzato il dataset dello studio CoMMpassSM della Multiple Myeloma Research Foundation (MMRF®), abbiamo scoperto che KDM6A viene perso dal 48% dei pazienti di sesso femminile e dal 24% dei pazienti di sesso maschile, in particolare, specifiche delezioni focali di KDM6A interessano il 5% dei pazienti di sesso femminile e 3% dei pazienti di sesso maschile. Questa osservazione suggerisce un ruolo di soppressore tumorale per KDM6A in MM. Pertanto, siamo passati a un modello cellulare di MM KDM6A knock-out (KO) ottenuto tramite CRISPR-Cas9. Sorprendentemente, abbiamo notato che un piccolo aumento trascrizionale di PPARGC1A nelle cellule KDM6A KO non aumentava né la massa mitocondriale né la fosforilazione ossidativa. Invece, abbiamo dimostrato che il KO di KDM6A potenzia la via di mTORC1 e la glicolisi portando ad una maggiore sensibilità agli inibitori di mTOR da parte delle cellule di MM. Meccanicisticamente, abbiamo rilevato il noto inibitore di mTORC1 TRAF3IP3 come bersaglio putativo di KDM6A. Nel complesso, il nostro lavoro ha rivelato nuove vulnerabilità metaboliche del cancro e in particolare del MM.