Somatic loss-of-function mutations in the ten-eleven translocation 2 (TET2) gene occur in a significant proportion of patients with myeloid malignancies. Although there are extensive genetic data implicating TET2 mutations in myeloid transformation, the consequences of Tet2 loss in hematopoietic development have not been delineated. We report here an animal model of conditional Tet2 loss in the hematopoietic compartment that leads to increased stem cell self-renewal in vivo as assessed by competitive transplant assays. Tet2 loss leads to a progressive enlargement of the hematopoietic stem cell compartment and eventual myeloproliferation in vivo, including splenomegaly, monocytosis, and extramedullary hematopoiesis. In addition, Tet2(+/-) mice also displayed increased stem cell self-renewal and extramedullary hematopoiesis, suggesting that Tet2 haploinsufficiency contributes to hematopoietic transformation in vivo.

The bone marrow microenvironment has a key role in regulating haematopoiesis, but its molecular complexity and response to stress are incompletely understood. Here we map the transcriptional landscape of mouse bone marrow vascular, perivascular and osteoblast cell populations at single-cell resolution, both at homeostasis and under conditions of stress-induced haematopoiesis. This analysis revealed previously unappreciated levels of cellular heterogeneity within the bone marrow niche and resolved cellular sources of pro-haematopoietic growth factors, chemokines and membrane-bound ligands. Our studies demonstrate a considerable transcriptional remodelling of niche elements under stress conditions, including an adipocytic skewing of perivascular cells. Among the stress-induced changes, we observed that vascular Notch delta-like ligands (encoded by Dll1 and Dll4) were downregulated. In the absence of vascular Dll4, haematopoietic stem cells prematurely induced a myeloid transcriptional program. These findings refine our understanding of the cellular architecture of the bone marrow niche, reveal a dynamic and heterogeneous molecular landscape that is highly sensitive to stress and illustrate the utility of single-cell transcriptomic data in evaluating the regulation of haematopoiesis by discrete niche populations. The transcriptional landscape of cell populations of the mouse bone marrow microenvironment, mapped at single-cell resolution, reveals cellular heterogeneity in this niche as well as substantial transcriptional remodelling under stress conditions.

Loss-of-function mutations in TET2 occur frequently in patients with clonal hematopoiesis, myelodysplastic syndrome (MDS), and acute myeloid leukemia (AML) and are associated with a DNA hypermethylation phenotype. To determine the role of TET2 deficiency in leukemia stem cell maintenance, we generated a reversible transgenic RNAi mouse to model restoration of endogenous Tet2 expression. Tet2 restoration reverses aberrant hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) self-renewal in vitro and in vivo. Treatment with vitamin C, a co-factor of Fe2+ and α-KG-dependent dioxygenases, mimics TET2 restoration by enhancing 5-hydroxymethylcytosine formation in Tet2-deficient mouse HSPCs and suppresses human leukemic colony formation and leukemia progression of primary human leukemia PDXs. Vitamin C also drives DNA hypomethylation and expression of a TET2-dependent gene signature in human leukemia cell lines. Furthermore, TET-mediated DNA oxidation induced by vitamin C treatment in leukemia cells enhances their sensitivity to PARP inhibition and could provide a safe and effective combination strategy to selectively target TET deficiency in cancer. PAPERCLIP.

Recurrent somatic ASXL1 mutations occur in patients with myelodysplastic syndrome, myeloproliferative neoplasms, and acute myeloid leukemia, and are associated with adverse outcome. Despite the genetic and clinical data implicating ASXL1 mutations in myeloid malignancies, the mechanisms of transformation by ASXL1 mutations are not understood. Here, we identify that ASXL1 mutations result in loss of polycomb repressive complex 2 (PRC2)-mediated histone H3 lysine 27 (H3K27) tri-methylation. Through integration of microarray data with genome-wide histone modification ChIP-Seq data, we identify targets of ASXL1 repression, including the posterior HOXA cluster that is known to contribute to myeloid transformation. We demonstrate that ASXL1 associates with the PRC2, and that loss of ASXL1 in vivo collaborates with NRASG12D to promote myeloid leukemogenesis.

T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) is an immature hematopoietic malignancy driven mainly by oncogenic activation of NOTCH1 signaling1. In this study we report the presence of loss-of-function mutations and deletions of the EZH2 and SUZ12 genes, which encode crucial components of the Polycomb repressive complex 2 (PRC2)2,3, in 25% of T-ALLs. To further study the role of PRC2 in T-ALL, we used NOTCH1-dependent mouse models of the disease, as well as human T-ALL samples, and combined locus-specific and global analysis of NOTCH1-driven epigenetic changes. These studies demonstrated that activation of NOTCH1 specifically induces loss of the repressive mark Lys27 trimethylation of histone 3 (H3K27me3)4 by antagonizing the activity of PRC2. These studies suggest a tumor suppressor role for PRC2 in human leukemia and suggest a hitherto unrecognized dynamic interplay between oncogenic NOTCH1 and PRC2 function for the regulation of gene expression and cell transformation.

Mutations affecting spliceosomal proteins are the most common mutations in patients with myelodysplastic syndromes (MDS), but their role in MDS pathogenesis has not been delineated. Here we report that mutations affecting the splicing factor SRSF2 directly impair hematopoietic differentiation in vivo, which is not due to SRSF2 loss of function. By contrast, SRSF2 mutations alter SRSF2's normal sequence-specific RNA binding activity, thereby altering the recognition of specific exonic splicing enhancer motifs to drive recurrent mis-splicing of key hematopoietic regulators. This includes SRSF2 mutation-dependent splicing of EZH2, which triggers nonsense-mediated decay, which, in turn, results in impaired hematopoietic differentiation. These data provide a mechanistic link between a mutant spliceosomal protein, alterations in the splicing of key regulators, and impaired hematopoiesis.

Abstract The BCL-2 inhibitor venetoclax combined with hypomethylating agents or low-dose cytarabine represents an important new therapy for older or unfit patients with acute myeloid leukemia (AML). We analyzed 81 patients receiving these venetoclax-based combinations to identify molecular correlates of durable remission, response followed by relapse (adaptive resistance), or refractory disease (primary resistance). High response rates and durable remissions were typically associated with NPM1 or IDH2 mutations, with prolonged molecular remissions prevalent for NPM1 mutations. Primary and adaptive resistance to venetoclax-based combinations was most commonly characterized by acquisition or enrichment of clones activating signaling pathways such as FLT3 or RAS or biallelically perturbing TP53. Single-cell studies highlighted the polyclonal nature of intratumoral resistance mechanisms in some cases. Among cases that were primary refractory, we identified heterogeneous and sometimes divergent interval changes in leukemic clones within a single cycle of therapy, highlighting the dynamic and rapid occurrence of therapeutic selection in AML. In functional studies, FLT3 internal tandem duplication gain or TP53 loss conferred cross-resistance to both venetoclax and cytotoxic-based therapies. Collectively, we highlight molecular determinants of outcome with clinical relevance to patients with AML receiving venetoclax-based combination therapies.

Recent studies have shown that activating mutations of NOTCH1 are responsible for the majority of T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) cases. Most of these mutations truncate its C-terminal domain, a region that is important for the NOTCH1 proteasome-mediated degradation. We report that the E3 ligase FBW7 targets NOTCH1 for ubiquitination and degradation. Our studies map in detail the amino acid degron sequence required for NOTCH1–FBW7 interaction. Furthermore, we identify inactivating FBW7 mutations in a large fraction of human T-ALL lines and primary leukemias. These mutations abrogate the binding of FBW7 not only to NOTCH1 but also to the two other characterized targets, c-Myc and cyclin E. The majority of the FBW7 mutations were present during relapse, and they were associated with NOTCH1 HD mutations. Interestingly, most of the T-ALL lines harboring FBW7 mutations were resistant to γ-secretase inhibitor treatment and this resistance appeared to be related to the stabilization of the c-Myc protein. Our data suggest that FBW7 is a novel tumor suppressor in T cell leukemia, and implicate the loss of FBW7 function as a potential mechanism of drug resistance in T-ALL.

Gamma-secretase inhibitors (GSIs) block the activation of the oncogenic protein Notch homolog-1 (NOTCH1) in T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). However, limited antileukemic cytotoxicity and severe gastrointestinal toxicity have restricted the clinical application of these targeted drugs. Here we show that combination therapy with GSIs plus glucocorticoids can improve the antileukemic effects of GSIs and reduce their gut toxicity in vivo. Inhibition of NOTCH1 signaling in glucocorticoid-resistant T-ALL restored glucocorticoid receptor autoupregulation and induced apoptotic cell death through induction of the gene encoding BCL-2-like apoptosis initiator-11 (BCL2L11). GSI treatment resulted in cell cycle arrest and accumulation of goblet cells in the gut mediated by upregulation of the gene encoding the transcription factor Krüppel-like factor-4 (Klf4), a negative regulator of the cell cycle required for goblet cell differentiation. In contrast, glucocorticoid treatment induced transcriptional upregulation of cyclin D2 (Ccnd2) and protected mice from developing the intestinal goblet cell metaplasia typically induced by inhibition of NOTCH signaling with GSIs. These results support a role for glucocorticoids plus GSIs in the treatment of glucocorticoid-resistant T-ALL.