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.

Abstract Developmental control of gene expression critically depends on distal cis-regulatory elements including enhancers which interact with promoters to activate gene expression. To date no global experiments have been conducted that identify their cell type and cell stage-specific transcription stimulatory activity within one developmental pathway and in a chromatin context. Here, we describe a high-throughput method that identifies thousands of differentially active cis-elements able to stimulate a minimal promoter at five stages of hematopoietic progenitor development from embryonic stem cells, which can be adapted to any ES cell derived cell type. Exploring this new resource, we show that blood cell-specific gene expression is controlled by the concerted action of thousands of differentiation stage-specific sets of cis-elements which respond to cytokine signals that terminate at signalling responsive transcription factors. Our work presents a major advance in our understanding of developmental gene expression control in the hematopoietic system and beyond.