Acquired mutations are pervasive across normal tissues. However, understanding of the processes that drive transformation of certain clones to cancer is limited. Here we study this phenomenon in the context of clonal hematopoiesis (CH) and the development of therapy-related myeloid neoplasms (tMNs). We find that mutations are selected differentially based on exposures. Mutations in ASXL1 are enriched in current or former smokers, whereas cancer therapy with radiation, platinum and topoisomerase II inhibitors preferentially selects for mutations in DNA damage response genes (TP53, PPM1D, CHEK2). Sequential sampling provides definitive evidence that DNA damage response clones outcompete other clones when exposed to certain therapies. Among cases in which CH was previously detected, the CH mutation was present at tMN diagnosis. We identify the molecular characteristics of CH that increase risk of tMN. The increasing implementation of clinical sequencing at diagnosis provides an opportunity to identify patients at risk of tMN for prevention strategies. Environmental exposures shape patterns of selection for mutations in clonal hematopoiesis. Cancer therapies promote the growth of clones with mutations that are strongly enriched in treatment-related myeloid neoplasms.

The Tyrolean Iceman, a 5,300-year-old Copper age individual, was discovered in 1991 on the Tisenjoch Pass in the Italian part of the Ötztal Alps. Here we report the complete genome sequence of the Iceman and show 100% concordance between the previously reported mitochondrial genome sequence and the consensus sequence generated from our genomic data. We present indications for recent common ancestry between the Iceman and present-day inhabitants of the Tyrrhenian Sea, that the Iceman probably had brown eyes, belonged to blood group O and was lactose intolerant. His genetic predisposition shows an increased risk for coronary heart disease and may have contributed to the development of previously reported vascular calcifications. Sequences corresponding to ∼60% of the genome of Borrelia burgdorferi are indicative of the earliest human case of infection with the pathogen for Lyme borreliosis. The Tyrolean Iceman is 5,300 years old and his mitochondrial genome has been previously sequenced. This study reports the full genome sequence of the Iceman and reveals that he probably had brown eyes, was at risk for coronary disease and may have been infected with the pathogen Lyme borreliosis.

Summary Preclinical studies in myeloid neoplasms have demonstrated efficacy of Bromodomain and Extra-Terminal protein inhibitors (BETi). However, BETi demonstrate poor single agent activity in clinical trials. Several studies suggest that combination with other anti-cancer inhibitors may enhance the efficacy of BETi. To nominate BETi combination therapies for myeloid neoplasms, we used a chemical screen with therapies currently in clinical cancer development. We identified PIM inhibitors (PIMi) as therapeutically synergistic with BETi in myeloid leukemia models. Mechanistically, we show that PIM kinase is increased after BETi treatment, and that PIM kinase upregulation is sufficient to induce resistance to BETi and sensitize cells to PIMi. Further, we demonstrate that miR-33a downregulation is the underlying mechanism driving PIM1 upregulation. We also show that GM-CSF hypersensitivity, a hallmark of chronic myelomonocytic leukemia (CMML), represents a molecular signature for sensitivity to combination therapy and credential this using patient-derived xenografts supporting the clinical investigation of this combination.

PURPOSE: Many cancers can be treated with targeted therapy. Almost inevitably, tumors develop resistance to targeted therapy, either from preexistence or by evolving new genotypes and traits. Intra-tumor heterogeneity serves as a reservoir for resistance, which often occurs due to selection of minor cellular sub-clones. On the level of gene expression, the 'clonal' heterogeneity can only be revealed by high-dimensional single cell methods. We propose to use a general diversity index (GDI) to quantify heterogeneity on multiple scales and relate it to disease evolution. METHODS: We focused on individual patient samples probed with single cell RNA sequencing to describe heterogeneity. We developed a pipeline to analyze single cell data, via sample normalization, clustering and mathematical interpretation using a generalized diversity measure, and exemplify the utility of this platform using single cell data. RESULTS: We focused on three sources of RNA sequencing data: two healthy bone marrow (BM) samples, two acute myeloid leukemia (AML) patients, each sampled before and after BM transplant (BMT), four samples of pre-sorted lineages, and six lung carcinoma patients with multi-region sampling. While healthy/normal samples scored low in diversity overall, GDI further quantified in which respect these samples differed. While a widely used Shannon diversity index sometimes reveals less differences, GDI exhibits differences in the number of potential key drivers or clonal richness. Comparing pre and post BMT AML samples did not reveal differences in heterogeneity, although they can be very different biologically. CONCLUSION: GDI can quantify cellular heterogeneity changes across a wide spectrum, even when standard measures, such as the Shannon index, do not. Our approach offers wide applications to quantify heterogeneity across samples and conditions.

Clonal hematopoiesis (CH) is frequent in cancer patients and associated with increased risk of therapy related myeloid neoplasms (tMN). To define the relationship between CH, oncologic therapy, and tMN progression, we studied 24,439 cancer patients. We show that previously treated patients have increased rates of CH, with enrichment of mutations in DNA Damage Response (DDR) genes (TP53, PPM1D, CHEK2). Exposure to radiation, platinum and topoisomerase II inhibitors have the strongest association with CH with evidence of dose dependence and gene treatment interactions. We validate these associations in serial sampling from 525 patients and show that exposure to cytotoxic and radiation therapy imparts a selective advantage specifically in hematopoietic cells with DDR mutations. In patients who progressed to tMN, the clone at CH demarcated the dominant clone at tMN diagnosis. CH mutational features predict risk of therapy related myeloid neoplasm in solid tumor patients with clinical implications for early detection and treatment decisions.