Highlights•An RNAi screen identifies CCND2 as a crucial transcriptional target of RUNX1/ETO•RUNX1/ETO promotes CCND2 expression by binding to an upstream element•CCND2 knockdown inhibits RUNX1/ETO-driven leukemic expansion in vitro and in vivo•RUNX1/ETO-expressing leukemic cells are highly sensitive to a CDK4/6 inhibitorSummaryOncogenic transcription factors such as the leukemic fusion protein RUNX1/ETO, which drives t(8;21) acute myeloid leukemia (AML), constitute cancer-specific but highly challenging therapeutic targets. We used epigenomic profiling data for an RNAi screen to interrogate the transcriptional network maintaining t(8;21) AML. This strategy identified Cyclin D2 (CCND2) as a crucial transmitter of RUNX1/ETO-driven leukemic propagation. RUNX1/ETO cooperates with AP-1 to drive CCND2 expression. Knockdown or pharmacological inhibition of CCND2 by an approved drug significantly impairs leukemic expansion of patient-derived AML cells and engraftment in immunodeficient murine hosts. Our data demonstrate that RUNX1/ETO maintains leukemia by promoting cell cycle progression and identifies G1 CCND-CDK complexes as promising therapeutic targets for treatment of RUNX1/ETO-driven AML.Graphical abstract

The fusion gene MLL/AF4 defines a high-risk subtype of pro-B acute lymphoblastic leukemia. Relapse can be associated with a lineage switch from acute lymphoblastic to acute myeloid leukemia, resulting in poor clinical outcomes caused by resistance to chemotherapies and immunotherapies. In this study, the myeloid relapses shared oncogene fusion breakpoints with their matched lymphoid presentations and originated from various differentiation stages from immature progenitors through to committed B-cell precursors. Lineage switching is linked to substantial changes in chromatin accessibility and rewiring of transcriptional programs, including alternative splicing. These findings indicate that the execution and maintenance of lymphoid lineage differentiation is impaired. The relapsed myeloid phenotype is recurrently associated with the altered expression, splicing, or mutation of chromatin modifiers, including CHD4 coding for the ATPase/helicase of the nucleosome remodelling and deacetylation complex. Perturbation of CHD4 alone or in combination with other mutated epigenetic modifiers induces myeloid gene expression in MLL/AF4+ cell models, indicating that lineage switching in MLL/AF4 leukemia is driven and maintained by disrupted epigenetic regulation.

Summary Acute Myeloid Leukemia (AML) is caused by multiple mutations which dysregulate growth and differentiation of myeloid cells. Cells adopt different gene regulatory networks specific to individual mutations, maintaining a rapidly proliferating blast cell population with fatal consequences for the patient if not treated. The most common treatment option is still chemotherapy which targets such cells. However, patients harbour a population of quiescent leukemic stem cells (LSCs) which can emerge from quiescence to trigger relapse after therapy. The processes that allow such cells to re- grow remain unknown. Here, we examined the well characterised t(8;21) AML sub-type as a model to address this question. Using a novel t(8;21) patient-derived xenograft model, we show that t(8;21) LSCs aberrantly activate the VEGF and IL-5 signalling pathways. Both pathways operate within a regulatory circuit consisting of the driver oncoprotein RUNX1::ETO and an AP-1/GATA2 axis allowing LSCs to re-enter the cell cycle while preserving self-renewal capacity.

AML is a heterogenous disease caused by different mutations. We have previously shown that each mutational sub-type develops its specific gene regulatory network (GRN) with transcription factors interacting with multiple gene modules, many of which are transcription factor genes themselves. Here we hypothesized that highly connected nodes within such networks comprise crucial regulators of AML maintenance. We tested this hypothesis using FLT3-ITD mutated AML as a model and conducted an shRNA drop-out screen informed by this analysis. We show that AML-specific GRNs predict identifying crucial regulatory modules required for AML but not normal cellular growth. Furthermore, our work shows that all modules are highly connected and regulate each other. The careful multi-omic analysis of the role of one (RUNX1) module by shRNA and chemical inhibition shows that this transcription factor and its target genes stabilize the GRN of FLT3-ITD AML and that its removal leads to GRN collapse and cell death.