SummaryThe somatic mutations in cytosolic isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) observed in gliomas can lead to the production of 2-hydroxyglutarate (2HG). Here, we report that tumor 2HG is elevated in a high percentage of patients with cytogenetically normal acute myeloid leukemia (AML). Surprisingly, less than half of cases with elevated 2HG possessed IDH1 mutations. The remaining cases with elevated 2HG had mutations in IDH2, the mitochondrial homolog of IDH1. These data demonstrate that a shared feature of all cancer-associated IDH mutations is production of the oncometabolite 2HG. Furthermore, AML patients with IDH mutations display a significantly reduced number of other well characterized AML-associated mutations and/or associated chromosomal abnormalities, potentially implicating IDH mutation in a distinct mechanism of AML pathogenesis.Highlights•All IDH mutations reported in cancer share a common neomorphic enzymatic activity•Both wild-type IDH1 and IDH2 are required for cell proliferation•IDH2 R140Q mutations occur in 9% of AML cases•Overall, IDH2 mutations appear more common than IDH1 mutations in AML

Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous disease with respect to presentation and clinical outcome. The prognostic value of recently identified somatic mutations has not been systematically evaluated in a phase 3 trial of treatment for AML.We performed a mutational analysis of 18 genes in 398 patients younger than 60 years of age who had AML and who were randomly assigned to receive induction therapy with high-dose or standard-dose daunorubicin. We validated our prognostic findings in an independent set of 104 patients.We identified at least one somatic alteration in 97.3% of the patients. We found that internal tandem duplication in FLT3 (FLT3-ITD), partial tandem duplication in MLL (MLL-PTD), and mutations in ASXL1 and PHF6 were associated with reduced overall survival (P=0.001 for FLT3-ITD, P=0.009 for MLL-PTD, P=0.05 for ASXL1, and P=0.006 for PHF6); CEBPA and IDH2 mutations were associated with improved overall survival (P=0.05 for CEBPA and P=0.01 for IDH2). The favorable effect of NPM1 mutations was restricted to patients with co-occurring NPM1 and IDH1 or IDH2 mutations. We identified genetic predictors of outcome that improved risk stratification among patients with AML, independently of age, white-cell count, induction dose, and post-remission therapy, and validated the significance of these predictors in an independent cohort. High-dose daunorubicin, as compared with standard-dose daunorubicin, improved the rate of survival among patients with DNMT3A or NPM1 mutations or MLL translocations (P=0.001) but not among patients with wild-type DNMT3A, NPM1, and MLL (P=0.67).We found that DNMT3A and NPM1 mutations and MLL translocations predicted an improved outcome with high-dose induction chemotherapy in patients with AML. These findings suggest that mutational profiling could potentially be used for risk stratification and to inform prognostic and therapeutic decisions regarding patients with AML. (Funded by the National Cancer Institute and others.).

Cancer-associated IDH mutants that produce 2-hydroxyglutarate are shown to prevent the histone demethylation that is required for lineage-specific progenitor cells to differentiate into terminally differentiated cells. Mutations in the isocitrate dehydrogenase genes IDH1 and IDH2 have been identified in gliomas, the most common form of brain tumour, and in other cancers including leukaemias. The mutated enzymes produce 2-hydroxyglutarate (2HG), which is a potential oncometabolite. Three papers in this issue of Nature examine the mechanisms through which IDH mutations promote cancers. Lu et al. show that 2HG-producing IDH mutants can prevent the histone demethylation that is required for progenitor cells to differentiate, potentially contributing to tumour-cell accumulation. Turcan et al. show that IDH1 mutation in primary human astrocytes induces DNA hypermethylation and reshapes the methylome to resemble that of the CIMP phenotype, a common feature of gliomas and other solid tumours. Koivunen et al. show that the (R)-enantiomer of 2HG (but not the (S)-enantiomer) can stimulate the activity of the EGLN prolyl 4-hydroxylases, leading to diminished levels of hypoxia-inducible factor (HIF), which in turn can enhance cell proliferation. These papers establish a framework for understanding gliomagenesis and highlight the interplay between genomic and epigenomic changes in human cancers. Recurrent mutations in isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) and IDH2 have been identified in gliomas, acute myeloid leukaemias (AML) and chondrosarcomas, and share a novel enzymatic property of producing 2-hydroxyglutarate (2HG) from α-ketoglutarate1,2,3,4,5,6. Here we report that 2HG-producing IDH mutants can prevent the histone demethylation that is required for lineage-specific progenitor cells to differentiate into terminally differentiated cells. In tumour samples from glioma patients, IDH mutations were associated with a distinct gene expression profile enriched for genes expressed in neural progenitor cells, and this was associated with increased histone methylation. To test whether the ability of IDH mutants to promote histone methylation contributes to a block in cell differentiation in non-transformed cells, we tested the effect of neomorphic IDH mutants on adipocyte differentiation in vitro. Introduction of either mutant IDH or cell-permeable 2HG was associated with repression of the inducible expression of lineage-specific differentiation genes and a block to differentiation. This correlated with a significant increase in repressive histone methylation marks without observable changes in promoter DNA methylation. Gliomas were found to have elevated levels of similar histone repressive marks. Stable transfection of a 2HG-producing mutant IDH into immortalized astrocytes resulted in progressive accumulation of histone methylation. Of the marks examined, increased H3K9 methylation reproducibly preceded a rise in DNA methylation as cells were passaged in culture. Furthermore, we found that the 2HG-inhibitable H3K9 demethylase KDM4C was induced during adipocyte differentiation, and that RNA-interference suppression of KDM4C was sufficient to block differentiation. Together these data demonstrate that 2HG can inhibit histone demethylation and that inhibition of histone demethylation can be sufficient to block the differentiation of non-transformed cells.

Mutation of isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) is shown to induce DNA hypermethylation and to remodel the epigenome to resemble that of gliomas with the CpG island methylator phenotype. Mutations in the isocitrate dehydrogenase genes IDH1 and IDH2 have been identified in gliomas, the most common form of brain tumour, and in other cancers including leukaemias. The mutated enzymes produce 2-hydroxyglutarate (2HG), which is a potential oncometabolite. Three papers in this issue of Nature examine the mechanisms through which IDH mutations promote cancers. Lu et al. show that 2HG-producing IDH mutants can prevent the histone demethylation that is required for progenitor cells to differentiate, potentially contributing to tumour-cell accumulation. Turcan et al. show that IDH1 mutation in primary human astrocytes induces DNA hypermethylation and reshapes the methylome to resemble that of the CIMP phenotype, a common feature of gliomas and other solid tumours. Koivunen et al. show that the (R)-enantiomer of 2HG (but not the (S)-enantiomer) can stimulate the activity of the EGLN prolyl 4-hydroxylases, leading to diminished levels of hypoxia-inducible factor (HIF), which in turn can enhance cell proliferation. These papers establish a framework for understanding gliomagenesis and highlight the interplay between genomic and epigenomic changes in human cancers. Both genome-wide genetic and epigenetic alterations are fundamentally important for the development of cancers, but the interdependence of these aberrations is poorly understood. Glioblastomas and other cancers with the CpG island methylator phenotype (CIMP) constitute a subset of tumours with extensive epigenomic aberrations and a distinct biology1,2,3. Glioma CIMP (G-CIMP) is a powerful determinant of tumour pathogenicity, but the molecular basis of G-CIMP remains unresolved. Here we show that mutation of a single gene, isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1), establishes G-CIMP by remodelling the methylome. This remodelling results in reorganization of the methylome and transcriptome. Examination of the epigenome of a large set of intermediate-grade gliomas demonstrates a distinct G-CIMP phenotype that is highly dependent on the presence of IDH mutation. Introduction of mutant IDH1 into primary human astrocytes alters specific histone marks, induces extensive DNA hypermethylation, and reshapes the methylome in a fashion that mirrors the changes observed in G-CIMP-positive lower-grade gliomas. Furthermore, the epigenomic alterations resulting from mutant IDH1 activate key gene expression programs, characterize G-CIMP-positive proneural glioblastomas but not other glioblastomas, and are predictive of improved survival. Our findings demonstrate that IDH mutation is the molecular basis of CIMP in gliomas, provide a framework for understanding oncogenesis in these gliomas, and highlight the interplay between genomic and epigenomic changes in human cancers.

Myelodysplastic syndromes are clinically heterogeneous disorders characterized by clonal hematopoiesis, impaired differentiation, peripheral-blood cytopenias, and a risk of progression to acute myeloid leukemia. Somatic mutations may influence the clinical phenotype but are not included in current prognostic scoring systems.

Background The JAK2V617F allele has recently been identified in patients with polycythemia vera (PV), essential thrombocytosis (ET), and myelofibrosis with myeloid metaplasia (MF). Subsequent analysis has shown that constitutive activation of the JAK-STAT signal transduction pathway is an important pathogenetic event in these patients, and that enzymatic inhibition of JAK2V617F may be of therapeutic benefit in this context. However, a significant proportion of patients with ET or MF are JAK2V617F-negative. We hypothesized that activation of the JAK-STAT pathway might also occur as a consequence of activating mutations in certain hematopoietic-specific cytokine receptors, including the erythropoietin receptor (EPOR), the thrombopoietin receptor (MPL), or the granulocyte-colony stimulating factor receptor (GCSFR). Methods and Findings DNA sequence analysis of the exons encoding the transmembrane and juxtamembrane domains of EPOR, MPL, and GCSFR, and comparison with germline DNA derived from buccal swabs, identified a somatic activating mutation in the transmembrane domain of MPL (W515L) in 9% (4/45) of JAKV617F-negative MF. Expression of MPLW515L in 32D, UT7, or Ba/F3 cells conferred cytokine-independent growth and thrombopoietin hypersensitivity, and resulted in constitutive phosphorylation of JAK2, STAT3, STAT5, AKT, and ERK. Furthermore, a small molecule JAK kinase inhibitor inhibited MPLW515L-mediated proliferation and JAK-STAT signaling in vitro. In a murine bone marrow transplant assay, expression of MPLW515L, but not wild-type MPL, resulted in a fully penetrant myeloproliferative disorder characterized by marked thrombocytosis (Plt count 1.9–4.0 × 1012/L), marked splenomegaly due to extramedullary hematopoiesis, and increased reticulin fibrosis. Conclusions Activation of JAK-STAT signaling via MPLW515L is an important pathogenetic event in patients with JAK2V617F-negative MF. The bone marrow transplant model of MPLW515L-mediated myeloproliferative disorders (MPD) exhibits certain features of human MF, including extramedullary hematopoiesis, splenomegaly, and megakaryocytic proliferation. Further analysis of positive and negative regulators of the JAK-STAT pathway is warranted in JAK2V617F-negative MPD.

Abstract The 2010 and 2017 editions of the European LeukemiaNet (ELN) recommendations for diagnosis and management of acute myeloid leukemia (AML) in adults are widely recognized among physicians and investigators. There have been major advances in our understanding of AML, including new knowledge about the molecular pathogenesis of AML, leading to an update of the disease classification, technological progress in genomic diagnostics and assessment of measurable residual disease, and the successful development of new therapeutic agents, such as FLT3, IDH1, IDH2, and BCL2 inhibitors. These advances have prompted this update that includes a revised ELN genetic risk classification, revised response criteria, and treatment recommendations.