Abstract Shwachman-Diamond syndrome (SDS) is an inherited bone marrow failure syndrome with predisposition to developing leukemia. We found that multiple independent somatic hematopoietic clones arise early in life, most commonly harboring heterozygous mutations in EIF6 or TP53 . EIF6 mutations cause functional compensation for the germline deficiency by alleviating the SDS ribosome joining defect, improving translation, and reducing p53 activation. TP53 mutations decrease checkpoint activation without affecting ribosome assembly. We link development of leukemia with acquisition of biallelic TP53 alterations. Our results define distinct pathways of clonal selection driven by germline fitness constraint and provide a mechanistic framework for clinical surveillance.

ABSTRACT Safely expanding indications for cellular therapies has been challenging given a lack of highly cancer-specific surface markers. Here, we explore the hypothesis that tumor cells express cancer-specific surface protein conformations, invisible to standard target discovery pipelines evaluating gene or protein expression, that can be identified and immunotherapeutically targeted. We term this strategy, integrating cross-linking mass spectrometry (XL-MS) with glycoprotein surface capture, “structural surfaceomics”. As a proof of principle, we apply this technology to acute myeloid leukemia, a hematologic malignancy with dismal outcomes and no known optimal immunotherapy target. We identify the activated conformation of integrin-β2 as a structurally-defined, widely-expressed, AML-specific target. We develop and characterize recombinant antibodies to this protein conformation, and show that chimeric antigen receptor (CAR) T-cells eliminate AML cells and patient-derived xenografts without notable toxicity versus normal hematopoietic cells. Our findings validate an AML conformation-specific target antigen while demonstrating a toolkit for applying these strategies more broadly.

Abstract Juvenile myelomonocytic leukemia (JMML) is a hematologic malignancy of young children caused by mutations that increase Ras signaling output. Hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is a potentially curative treatment, but patients with relapsed or refractory (advanced) disease have dismal outcomes. This phase II trial evaluated the safety and efficacy of trametinib, an oral MEK1/2 inhibitor, in patients with advanced JMML. Ten infants and children were enrolled, and the objective response rate was 50%. Four patients with refractory disease proceeded to HSCT after receiving trametinib. Three additional patients completed all 12 cycles permitted on study and continue to receive off-protocol trametinib without HSCT. The remaining three patients had progressive disease with two demonstrating molecular evolution by the end of cycle 2. Transcriptomic and proteomic analyses provided novel insights into the mechanisms of response and resistance to trametinib in JMML. ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03190915. Significance: Trametinib was safe and effective in young children with relapsed or refractory JMML, a lethal disease with poor survival rates. Seven of 10 patients completed the maximum 12 cycles of therapy or used trametinib as a bridge to HSCT and are alive with a median follow-up of 24 months.

Despite the success of BCMA-targeting CAR-Ts in multiple myeloma, patients with high-risk cytogenetic features still relapse most quickly and are in urgent need of additional therapeutic options. Here, we identify CD70, widely recognized as a favorable immunotherapy target in other cancers, as a specifically upregulated cell surface antigen in high risk myeloma tumors. We use a structure-guided design to define a CD27-based anti-CD70 CAR-T design that outperforms all tested scFv-based CARs, leading to >80-fold improved CAR-T expansion in vivo. Epigenetic analysis via machine learning predicts key transcription factors and transcriptional networks driving CD70 upregulation in high risk myeloma. Dual-targeting CAR-Ts against either CD70 or BCMA demonstrate a potential strategy to avoid antigen escape-mediated resistance. Together, these findings support the promise of targeting CD70 with optimized CAR-Ts in myeloma as well as future clinical translation of this approach.

This study tested the claim that digital PCR (dPCR) can offer highly reproducible quantitative measurements in disparate labs. Twenty-one laboratories measured four blinded samples containing different quantities of a KRAS fragment encoding G12D, an important genetic marker for guiding therapy of certain cancers. This marker is challenging to quantify reproducibly using qPCR or NGS due to the presence of competing wild type sequences and the need for calibration. Using dPCR, eighteen laboratories were able to quantify the G12D marker within 12% of each other in all samples. Three laboratories appeared to measure consistently outlying results; however, proper application of a follow-up analysis recommendation rectified their data. Our findings show that dPCR has demonstrable reproducibility across a large number of laboratories without calibration and could enable the reproducible application of molecular stratification to guide therapy, and potentially for molecular diagnostics.

Abstract Mutations in receptor tyrosine kinases (RTKs) FLT3 and KIT are frequent and associated with poor outcomes in acute myeloid leukemia (AML). Although FLT3 inhibitors (FLT3i) are clinically effective, remissions are short-lived due to secondary resistance characterized by acquired mutations constitutively activating the RAS/MAPK pathway. Hereby, we report pre-clinical efficacy of co-targeting SHP2, a critical node in MAPK signaling, and BCL2 in RTK-driven AML. The allosteric SHP2 inhibitor RMC-4550 suppressed proliferation of AML cell lines with FLT3 and KIT mutations, including cell lines with acquired resistance to FLT3i. We demonstrate that SHP2 inhibition unveils an Achilles’ heel of AML, increasing apoptotic dependency on BCL2 via MAPK-dependent mechanisms, including upregulation of BMF and downregulation of MCL1. Consequently, RMC-4550 and venetoclax are synergistically lethal in FLT3 - or KIT -mutant AML cell lines, and in clinically relevant xenograft models. Our results provide new mechanistic rationale and preclinical evidence for co-targeting SHP2 and BCL2 in RTK-driven AML. Significance There is an unmet need for effective therapies targeting the MAPK pathway to overcome resistance in RTK-driven AML. We report that pharmacologic co-inhibition of SHP2 and BCL2 has synergistic anti-leukemia activity in preclinical models of AML with FLT3 and KIT mutations and holds potential clinical utility.