PML nuclear bodies (NB) are disrupted in PML-RARA–driven acute promyelocytic leukemia (APL). Arsenic trioxide (ATO) cures 70% of patients with APL, driving PML-RARA degradation and NB reformation. In non-APL cells, arsenic binding onto PML also amplifies NB formation. Yet, the actual molecular mechanism(s) involved remain(s) elusive. Here, we establish that PML NBs display some features of liquid–liquid phase separation and that ATO induces a gel-like transition. PML B-box-2 structure reveals an alpha helix driving B2 trimerization and positioning a cysteine trio to form an ideal arsenic-binding pocket. Altering either of the latter impedes ATO-driven NB assembly, PML sumoylation, and PML-RARA degradation, mechanistically explaining clinical ATO resistance. This B2 trimer and the C213 trio create an oxidation-sensitive rheostat that controls PML NB assembly dynamics and downstream signaling in both basal state and during stress response. These findings identify the structural basis for arsenic targeting of PML that could pave the way to novel cancer drugs. Significance: Arsenic curative effects in APL rely on PML targeting. We report a PML B-box-2 structure that drives trimer assembly, positioning a cysteine trio to form an arsenic-binding pocket, which is disrupted in resistant patients. Identification of this ROS-sensitive triad controlling PML dynamics and functions could yield novel drugs. See related commentary by Salomoni, p. 2505. This article is featured in Selected Articles from This Issue, p. 2489

The story of acute promyelocytic leukemia (APL) discovery, physiopathology, and treatment is a unique journey, transforming the most aggressive form of leukemia to the most curable. It followed an empirical route fueled by clinical breakthroughs driving major advances in biochemistry and cell biology, including the discovery of PML nuclear bodies (PML NBs) and their central role in APL physiopathology. Beyond APL, PML NBs have emerged as key players in a wide variety of biological functions, including tumor-suppression and SUMO-initiated protein degradation, underscoring their broad importance. The APL story is an example of how clinical observations led to the incremental development of the first targeted leukemia therapy. The understanding of APL pathogenesis and the basis for cure now opens new insights in the treatment of other diseases, especially other acute myeloid leukemias.

PML (ProMyelocytic Leukemia) est une protéine qui structure la coque d'organelles sans membranes, nommés corps nucléaires PML (CNP). Les CNP recrutent un grand nombre de protéines partenaires et contrôlent leurs modifications post-traductionnelles, en particulier leur sumoylation, régulant leur activité. La protéine PML est impliquée dans de nombreux processus biologiques, en particulier la sénescence, l'apoptose ou le métabolisme, mais le rôle des CNP en tant que tels reste à démontrer. Les CNP sont désorganisés par l'action de l'oncoprotéine PML/RARa dans un type de leucémie rare, la leucémie aiguë promyélocytaire (LAP). La combinaison d'acide rétinoïque et de trioxyde d'arsenic guérit les malades, sans chimiothérapie additionnelle. De façon déterminante, l'arsenic peut se lier directement à PML, induire le réassemblage des CNP et l'activation d'un programme de sénescence, bloquant l'auto-renouvèlement des cellules leucémiques et conduisant à la guérison des patients. Cependant, le mécanisme par lequel la liaison de l'arsenic sur PML provoque cet assemblage demeure inconnu. Les CNP sont également perdus dans d'autres cancers et PML est impliquée dans certaines maladies neurodégénératives, ce qui en fait une cible thérapeutique de choix. Au cours de ma thèse, j'ai cherché à identifier les mécanismes régulant l'assemblage des CNP, en particulier en réponse à l'arsenic, et le lien entre la dynamique d'assemblage des CNP et leur fonction. Les résultats que j'ai obtenus indiquent que les CNP présentent des caractéristiques d'organelles sans membrane s'assemblant selon un processus de séparation de phase liquide-liquide, mais avec certaines spécificités, comme celle d'être très structurés en core-shell. L'étude d'un domaine doigt de zinc de PML, la boite B2, retrouvé muté chez les patients LAP résistants à l'arsenic, a révélé son rôle central dans la dynamique d'assemblage des CNP. Mon travail de thèse a permis de montrer, par différentes techniques et expertises que la boite B2 contrôle l'assemblage dynamique des CNP en formant des homo-trimères. Ces derniers sont coordonnés par des interactions, de type hydrophobe, faibles et réversibles grâce à une hélice α présente dans ce domaine. En outre, ces interactions positionnent au cœur du trimère une cystéine libre de l'hélice qui joue une rôle central en contrôlant la dynamique d'assemblage des CNP. C'est sur cette triade de cystéines accessibles que l'arsenic vient se loger, transformant des liaisons faibles en liaisons covalentes. L'arsenic fige ainsi les trimères de boite B2, induisant une transition de phase des CNP vers des caractéristiques de type gel. Des résultats préliminaires montrent que la perte de l'auto-renouvèlement des cellules transformées par l'oncoprotéine PML-RARα induit par l'arsenic dépend de cette triade de cystéine. Ainsi, en reliant stéréo-sélectivité et dynamique intracellulaire, nous avons élucidé la toute première étape du mécanisme d'action ciblée de l'arsenic sur PML, ouvrant la voie au développement clinique de nouvelles molécules, basé sur la structure, pour activer de la biogenèse des CNP. En collaborant au développement de corps nucléaires PML artificiels in cellulo, dont nous pouvons contrôler l'assemblage par séparation de phase liquide-liquide, nous cherchons à comprendre par des approches ascendantes les liens entre la structure en core-shell des CNP, leur dynamique d'assemblage et leurs fonctions de sumoylation/dégradation. Mon travail de thèse ouvre également de nouvelles perspectives pour comprendre comment les réactions redox régulent la biogenèse des CNP. L'ensemble de ces travaux présente un intérêt pour la mise au point de nouvelles thérapeutiques où l'induction de la formation des CNP et/ou de leur dégradation peut améliorer le pronostic.