The histone 3 lysine 79 (H3K79) methyltransferase Dot1l has been implicated in the development of leukemias bearing translocations of the Mixed Lineage Leukemia (MLL) gene. We identified the MLL-fusion targets in an MLL-AF9 leukemia model, and conducted epigenetic profiling for H3K79me2, H3K4me3, H3K27me3, and H3K36me3 in hematopoietic progenitor and leukemia stem cells (LSCs). We found abnormal profiles only for H3K79me2 on MLL-AF9 fusion target loci in LSCs. Inactivation of Dot1l led to downregulation of direct MLL-AF9 targets and an MLL translocation-associated gene expression signature, whereas global gene expression remained largely unaffected. Suppression of MLL translocation-associated gene expression corresponded with dependence of MLL-AF9 leukemia on Dot1l in vivo. These data point to DOT1L as a potential therapeutic target in MLL-rearranged leukemia.

A Pathway to Leukemia Leukemia is initiated and maintained by a small number of self-renewing cells called leukemia stem cells (LSCs), which share properties with hematopoietic stem cells (HSCs), the self-renewing cells that produce healthy blood cells. Wang et al. (p. 1650 ) studied mouse models of acute myelogenous leukemia (AML), a disease that is often refractory to existing therapies. Activation of the Wnt/β-catenin signaling pathway was required for efficient oncogene-mediated conversion of HSCs into LSCs. This pathway is among the most well studied signaling pathways in cell biology, setting the stage for testing of β-catenin signaling antagonists in preclinical models of AML.

Inhibition of DOT1L, the H3K79 histone methyltransferase, increases cell reprogramming and substituted for KLF4 and c-Myc, showing that chromatin-modifying enzymes act not only as facilitators but also as barriers to reprogramming. A study of the role of chromatin-modifying enzymes in the reprogramming of human fibroblasts to induced pluripotent stem (iPS) cells suggests that such enzymes can act as facilitators — but also as barriers — to epigenetic remodelling. By knocking down 22 selected genes involved in DNA and histone methylation pathways, George Daley and colleagues identified both positive and negative regulators of iPS-cell generation. In particular, inhibition of DOT1L, the H3K79 histone methyltransferase, increased reprogramming and substituted for KLF4 and c-Myc, two of the factors needed in the reprogramming cocktail. The effect of DOT1L inhibition seems to be associated with increase in the reprogramming factors NANOG and LIN28. This work demonstrates that specific chromatin modifiers can be modulated to generate iPS cells more efficiently and with fewer exogenously introduced transcription factors. Generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) by somatic cell reprogramming involves global epigenetic remodelling1. Whereas several proteins are known to regulate chromatin marks associated with the distinct epigenetic states of cells before and after reprogramming2,3, the role of specific chromatin-modifying enzymes in reprogramming remains to be determined. To address how chromatin-modifying proteins influence reprogramming, we used short hairpin RNAs (shRNAs) to target genes in DNA and histone methylation pathways, and identified positive and negative modulators of iPSC generation. Whereas inhibition of the core components of the polycomb repressive complex 1 and 2, including the histone 3 lysine 27 methyltransferase EZH2, reduced reprogramming efficiency, suppression of SUV39H1, YY1 and DOT1L enhanced reprogramming. Specifically, inhibition of the H3K79 histone methyltransferase DOT1L by shRNA or a small molecule accelerated reprogramming, significantly increased the yield of iPSC colonies, and substituted for KLF4 and c-Myc (also known as MYC). Inhibition of DOT1L early in the reprogramming process is associated with a marked increase in two alternative factors, NANOG and LIN28, which play essential functional roles in the enhancement of reprogramming. Genome-wide analysis of H3K79me2 distribution revealed that fibroblast-specific genes associated with the epithelial to mesenchymal transition lose H3K79me2 in the initial phases of reprogramming. DOT1L inhibition facilitates the loss of this mark from genes that are fated to be repressed in the pluripotent state. These findings implicate specific chromatin-modifying enzymes as barriers to or facilitators of reprogramming, and demonstrate how modulation of chromatin-modifying enzymes can be exploited to more efficiently generate iPSCs with fewer exogenous transcription factors.

We created a mouse model wherein conditional expression of an Mll-AF4 fusion oncogene induces B precursor acute lymphoblastic (ALL) or acute myeloid leukemias (AML). Gene expression profile analysis of the ALL cells demonstrated significant overlap with human MLL-rearranged ALL. ChIP-chip analysis demonstrated histone H3 lysine 79 (H3K79) methylation profiles that correlated with Mll-AF4-associated gene expression profiles in murine ALLs and in human MLL-rearranged leukemias. Human MLL-rearranged ALLs could be distinguished from other ALLs by their H3K79 profiles, and suppression of the H3K79 methyltransferase DOT1L inhibited expression of critical MLL-AF4 target genes. We thus demonstrate that ectopic H3K79 methylation is a distinguishing feature of murine and human MLL-AF4 ALLs and is important for maintenance of MLL-AF4-driven gene expression.

A growing body of data suggests the importance of epigenetic mechanisms in cancer. Polycomb repressive complex 2 (PRC2) has been implicated in self-renewal and cancer progression, and its components are overexpressed in many cancers. However, its role in cancer development and progression remains unclear. We used conditional alleles for the PRC2 components enhancer of zeste 2 ( Ezh2 ) and embryonic ectoderm development ( Eed ) to characterize the role of PRC2 function in leukemia development and progression. Compared with wild-type leukemia, Ezh2 -null MLL-AF9–mediated acute myeloid leukemia (AML) failed to accelerate upon secondary transplantation. However, Ezh2 -null leukemias maintained self-renewal up to the third round of transplantation, indicating that Ezh2 is not strictly required for MLL-AF9 AML, but plays a role in leukemia progression. Genome-wide analyses of PRC2-mediated trimethylation of histone 3 demonstrated locus-specific persistence of H3K27me3 despite inactivation of Ezh2 , suggesting partial compensation by Ezh1 . In contrast, inactivation of the essential PRC2 gene, Eed , led to complete ablation of PRC2 function, which was incompatible with leukemia growth. Gene expression array analyses indicated more profound gene expression changes in Eed -null compared with Ezh2 -null leukemic cells, including down-regulation of Myc target genes and up-regulation of PRC2 targets. Manipulating PRC2 function may be of therapeutic benefit in AML.

Abstract Homeobox (HOX) proteins and the receptor tyrosine kinase FLT3 are frequently highly expressed and mutated in acute myeloid leukemia (AML). Aberrant HOX expression is found in nearly all AMLs that harbor a mutation in the Nucleophosmin (NPM1) gene, and FLT3 is concomitantly mutated in approximately 60% of these cases. Little is known about how mutant NPM1 (NPM1mut) cells maintain aberrant gene expression. Here, we demonstrate that the histone modifiers MLL1 and DOT1L control HOX and FLT3 expression and differentiation in NPM1mut AML. Using a CRISPR/Cas9 genome editing domain screen, we show NPM1mut AML to be exceptionally dependent on the menin binding site in MLL1. Pharmacologic small-molecule inhibition of the menin–MLL1 protein interaction had profound antileukemic activity in human and murine models of NPM1mut AML. Combined pharmacologic inhibition of menin–MLL1 and DOT1L resulted in dramatic suppression of HOX and FLT3 expression, induction of differentiation, and superior activity against NPM1mut leukemia. Significance: MLL1 and DOT1L are chromatin regulators that control HOX, MEIS1, and FLT3 expression and are therapeutic targets in NPM1mut AML. Combinatorial small-molecule inhibition has synergistic on-target activity and constitutes a novel therapeutic concept for this common AML subtype. Cancer Discov; 6(10); 1166–81. ©2016 AACR. See related commentary by Hourigan and Aplan, p. 1087. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1069

Abstract The intracellular endosymbiotic proteobacteria Wolbachia have evolved across the phyla nematoda and arthropoda. In Wolbachia phylogeny, supergroup F is the only clade known so far with members from both arthropod and filarial nematode hosts and therefore can provide unique insights into their evolution and biology. In this study, 4 new supergroup F Wolbachia genomes have been assembled using a metagenomic assembly and binning approach, w Moz and w Mpe from the human filarial parasites Mansonella ozzardi and Mansonella perstans , and w Ocae and w MoviF from the blue mason bee Osmia caerulescens and the sheep ked Melophagus ovinus respectively. A comprehensive phylogenomic analysis revealed two independent origins of filarial Wolbachia in supergroup F, most likely from ancestral arthropod hosts. The analysis also reveals that the switch from arthropod to filarial host is accompanied by a convergent pseudogenization and loss of the bacterioferritin gene, a phenomenon found to be shared by all filarial Wolbachia , even those outside supergroup F. These observations indicate that differences in heme metabolism might be a key feature distinguishing filarial and arthropod Wolbachia . The new genomes provide a valuable resource for further studies on symbiosis, evolution, and the discovery of new antibiotics to treat mansonellosis. Significance statement Wolbachia are bacterial endosymbionts of medically important parasitic filarial nematodes and arthropods. The evolutionary history and biological roles of Wolbachia in these different hosts are not well understood. The supergroup F in Wolbachia phylogeny harbors members from both filarial and arthropod hosts, providing an unparalleled opportunity for genomic comparisons to uncover distinguishing characteristics. This study provides new genomes from filarial and arthropod Wolbachia from this unique supergroup. Their phylogenomic analysis reveals multiple, independent transfers of Wolbachia from arthropod to filariae. Remarkably, these transfers were associated with a convergent loss of the bacterioferritin gene, a key regulator of heme metabolism. Heme supplementation is considered a critical component of Wolbachia - filaria symbiosis. We demonstrate bacterioferritin loss is a novel feature exclusive to filarial Wolbachia .

Abstract The filarial parasites Mansonella ozzardi and Mansonella perstans , causative agents of mansonellosis, infect hundreds of millions of people worldwide, yet remain among the most understudied of the human filarial pathogens. M. ozzardi is highly prevalent in Latin American countries and Caribbean Islands, while M. perstans is predominantly found in sub-Saharan Africa as well as in a few areas in South America. In addition to the differences in their geographical distribution, the two parasites are transmitted by different insect vectors, as well as exhibit differences in their responses to commonly used anthelminthic drugs. The lack of genome information has hindered investigations into the biology and evolution of Mansonella parasites and understanding the molecular basis of the clinical differences between species. In the current study, high quality genomes of two independent clinical isolates of M. perstans from Cameroon and two M. ozzardi isolates one from Brazil and one from Venezuela are reported. The genomes are approximately 76 Mb in size, encode about 10,000 genes each, and are largely complete based on BUSCO scores of about 90%, similar to other completed filarial genomes. These sequences represent the first genomes from Mansonella parasites and enabled a comparative genomic analysis of the similarities and differences between Mansonella and other filarial parasites. Horizontal DNA transfers (HDT) from mitochondria (nuMTs) as well as transfers from genomes of endosymbiotic Wolbachia bacteria (nuWTs) to the host nuclear genome were identified and analyzed. Sequence comparisons and phylogenetic analysis of known targets of anti-filarial drugs diethylcarbamazine (DEC), ivermectin and mebendazole revealed that all known target genes were present in both species, except for the DEC target encoded by gon-2 gene, which is fragmented in genome assemblies from both M. ozzardi isolates. These new reference genome sequences will provide a valuable resource for further studies on biology, symbiosis, evolution and drug discovery.