Recent advances in nucleic acid sequencing now permit rapid and genome-scale analysis of genetic variation and transcription, enabling population-scale studies of human biology, disease, and diverse organisms. Likewise, advances in mass spectrometry proteomics now permit highly sensitive and accurate studies of protein expression at the whole proteome-scale. However, most proteomic studies rely on consensus databases to match spectra to peptide and proteins sequences, and thus remain limited to the analysis of canonical protein sequences. Here, we develop ProteomeGenerator2 (PG2), based on the scalable and modular ProteomeGenerator framework. PG2 integrates genome and transcriptome sequencing to incorporate protein variants containing amino acid substitutions, insertions, and deletions, as well as non-canonical reading frames, exons, and other variants caused by genomic and transcriptomic variation. We benchmarked PG2 using synthetic data and genomic, transcriptomic, and proteomic analysis of human leukemia cells. PG2 can be integrated with current and emerging sequencing technologies, assemblers, variant callers, and mass spectral analysis algorithms, and is available open-source from https://github.com/kentsisresearchgroup/ProteomeGenerator2 .

Abstract Many human cancers, including acute myeloid leukemia (AML), arise from mutations of stem and progenitor cells. Immunophenotypic profiling has shown that leukemias develop hierarchically, with mutations in leukemia stem cells associated with disease propagation and relapse 1,2 . Although leukemia initiating cells can be enriched using cell surface markers, their frequency tends to be variable and low, obscuring mechanisms and hindering effective therapies 3,4 . To define AML stem cells in human patients, we performed functional genomic profiling of diverse leukemias using label tracing techniques designed to preserve hematopoietic stem cell (HSC) function in vivo. We found that propagation of human AML is mediated by a rare but distinct quiescent label-retaining cell (LRC) population that evades detection by currently known immunophenotypic markers. We show that human AML LRC quiescence is reversible, sparing genetic clonal competition that maintains its epigenetic inheritance. LRC quiescence is defined by distinct promoter-centered chromatin and gene expression dynamics and controlled by a distinct AP-1/ETS transcription factor network, including JUN in particular, which is associated with disease persistence and chemotherapy resistance in diverse patients. These results enable prospective isolation and functional genetic manipulation of immunophenotypically-varied leukemia stem cells in human patient specimens, as well as establish key functions of epigenetic plasticity in leukemia development and therapy resistance. We anticipate that these findings will lead to the elucidation of essential properties of leukemia stem cell quiescence and the design of therapeutic strategies for their clinical identification and control.

In acute myeloid leukemia, chemotherapy resistance remains prevalent and poorly understood. Using functional proteomics of patient AML specimens, we identified MEF2C S222 phosphorylation as a specific marker of primary chemoresistance. We found that Mef2c S222A/S222A knock-in mutant mice engineered to block MEF2C phosphorylation exhibited normal hematopoiesis, but were resistant to leukemogenesis induced by MLL-AF9. MEF2C phosphorylation was required for leukemia stem cell maintenance, and induced by MARK kinases in cells. Treatment with the selective MARK inhibitor MRT199665 caused apoptosis of MEF2C-activated human AML cell lines and primary patient specimens, but not those lacking MEF2C phosphorylation. These findings identify kinase-dependent dysregulation of transcription factor control as a determinant of therapy response in AML, with immediate potential for improved diagnosis and treatment for this disease.

ABSTRACT Dysregulated gene expression contributes to most prevalent features in human cancers. Here, we show that most subtypes of acute myeloid leukemia (AML) depend on the aberrant assembly of MYB transcriptional co-activator complex. By rapid and selective peptidomimetic interference with the binding of CBP/P300 to MYB, but not CREB or MLL1, we find that the leukemic functions of MYB are mediated by CBP/P300 co-activation of a distinct set of transcription factor complexes. These MYB complexes assemble aberrantly with LYL1, E2A, C/EBP family members, LMO2 and SATB1. They are organized convergently in genetically diverse subtypes of AML, and are at least in part associated with inappropriate transcription factor co-expression. Peptidomimetic remodeling of oncogenic MYB complexes is accompanied by specific proteolysis and dynamic redistribution of CBP/P300 with alternative transcription factors such as RUNX1 to induce myeloid differentiation and apoptosis. Thus, aberrant assembly and sequestration of MYB:CBP/P300 complexes provide a unifying mechanism of oncogenic gene expression in AML. This work establishes a compelling strategy for their pharmacologic reprogramming and therapeutic targeting for diverse leukemias and possibly other human cancers caused by dysregulated gene control.