At the molecular level, myeloma is characterized by copy number abnormalities and recurrent translocations into the immunoglobulin heavy chain locus. Novel methods, such as massively parallel sequencing, have begun to describe the pattern of tumor-acquired mutations, but their clinical relevance has yet to be established.We performed whole-exome sequencing for 463 patients who presented with myeloma and were enrolled onto the National Cancer Research Institute Myeloma XI trial, for whom complete molecular cytogenetic and clinical outcome data were available.We identified 15 significantly mutated genes: IRF4, KRAS, NRAS, MAX, HIST1H1E, RB1, EGR1, TP53, TRAF3, FAM46C, DIS3, BRAF, LTB, CYLD, and FGFR3. The mutational spectrum is dominated by mutations in the RAS (43%) and nuclear factor-κB (17%) pathways, but although they are prognostically neutral, they could be targeted therapeutically. Mutations in CCND1 and DNA repair pathway alterations (TP53, ATM, ATR, and ZNFHX4 mutations) are associated with a negative impact on survival. In contrast, those in IRF4 and EGR1 are associated with a favorable overall survival. We combined these novel mutation risk factors with the recurrent molecular adverse features and international staging system to generate an international staging system mutation score that can identify a high-risk population of patients who experience relapse and die prematurely.We have refined our understanding of genetic events in myeloma and identified clinically relevant mutations that may be used to better stratify patients at presentation.

We have sequenced 463 presenting cases of myeloma entered into the UK Myeloma XI study using whole exome sequencing. Here we identify mutations induced as a consequence of misdirected AID in the partner oncogenes of IGH translocations, which are activating and associated with impaired clinical outcome. An APOBEC mutational signature is seen in 3.8% of cases and is linked to the translocation-mediated deregulation of MAF and MAFB, a known poor prognostic factor. Patients with this signature have an increased mutational load and a poor prognosis. Loss of MAF or MAFB expression results in decreased APOBEC3B and APOBEC4 expression, indicating a transcriptional control mechanism. Kataegis, a further mutational pattern associated with APOBEC deregulation, is seen at the sites of the MYC translocation. The APOBEC mutational signature seen in myeloma is, therefore, associated with poor prognosis primary and secondary translocations and the molecular mechanisms involved in generating them.

Clonal hematopoiesis (CH) arises when hematopoietic stem cells (HSCs) acquire mutations, most frequently in the DNMT3A and TET2 genes, conferring a competitive advantage through mechanisms that remain unclear. To gain insight into how CH mutations enable gradual clonal expansion, we used single-cell multi-omics with high-fidelity genotyping on human CH bone marrow (BM) samples. Most of the selective advantage of mutant cells occurs within HSCs. DNMT3A- and TET2-mutant clones expand further in early progenitors, while TET2 mutations accelerate myeloid maturation in a dose-dependent manner. Unexpectedly, both mutant and non-mutant HSCs from CH samples are enriched for inflammatory and aging transcriptomic signatures, compared with HSCs from non-CH samples, revealing a non-cell-autonomous effect. However, DNMT3A- and TET2-mutant HSCs have an attenuated inflammatory response relative to wild-type HSCs within the same sample. Our data support a model whereby CH clones are gradually selected because they are resistant to the deleterious impact of inflammation and aging.

Abstract Despite most acute myeloid leukemia (AML) patients achieving complete remission after induction chemotherapy, two-thirds will relapse with fatal disease within five years. AML is organized as a cellular hierarchy sustained by leukemia stem cells (LSC) at the apex, with LSC properties directly linked to tumor progression, therapy failure, and disease relapse 1–5 . Despite the central role of LSC in poor patient outcomes, little is known about the genetic determinants driving their stemness properties. As LSCs share many functional and molecular properties with normal hematopoietic stem cells (HSC) 6 , we investigated accessible chromatin unique across normal hematopoietic and cancer cell states and identified transposable elements (TEs) as genetic determinants of both primitive populations in comparison with their downstream mature progeny. A clinically-relevant TE chromatin accessibility-based LSCTE121 signature was developed that enabled patient classification based on survival outcomes. Through functional assays, primitive cell specific-TE subfamilies were found to serve as docking sites for stem cell-associated regulators of genome topology or lineage-specific transcription factors, including LYL1 in LSCs. Finally, using chromatin editing tools, we establish that chromatin accessibility at LTR12C elements in LSCs are necessary to maintain stemness properties. Our work identifies TEs as genetic drivers of primitive versus mature cell states, where distinct TE subfamilies account for stemness properties in normal versus leukemic hematopoietic stem cells.

Transition between activation and quiescence programs in hematopoietic stem and progenitor cells (HSC/HSPCs) is perceived to be governed intrinsically and by microenvironmental co-adaptation. However, HSC programs dictating both transition and adaptability, remain poorly defined. Single cell multiome analysis divulging differential transcriptional activity between distinct HSPC states, indicated for the exclusive absence of Fli-1 motif from quiescent HSCs. We reveal that Fli-1 activity is essential for HSCs during regenerative hematopoiesis. Fli-1 directs activation programs while manipulating cellular sensory and output machineries, enabling HSPCs co-adoptability with a stimulated vascular niche. During regenerative conditions, Fli-1 presets and enables propagation of niche-derived Notch1 signaling. Constitutively induced Notch1 signaling is sufficient to recuperate functional HSC impairments in the absence of Fli-1. Applying FLI-1 modified-mRNA transduction into lethargic adult human mobilized HSPCs, enables their vigorous niche-mediated expansion along with superior engraftment capacities. Thus, decryption of stem cell activation programs offers valuable insights for immune regenerative medicine.

ABSTRACT Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous, aggressive malignancy with dismal prognosis and with limited availability of targeted therapies. AML exhibits epigenetic deregulation and transcriptional plasticity that contributes to pathogenesis. KDM6 proteins are histone-3 lysine-27 demethylases that play major context dependent roles in AML evolution and therapy resistance. Here, we demonstrate that KDM6 demethylase function critically regulates DNA damage repair (DDR) gene expression programs in AML. Mechanistically, KDM6 family protein expression is regulated by genotoxic stress, with deficiency of KDM6A (UTX) and KDM6B (JMJD3) impairing DDR transcriptional activation and compromising repair potential. Acquired KDM6A loss-of-function mutations have been implicated in chemoresistance, although a significant percentage of relapsed AML have upregulated KDM6A. Based on these mechanistic findings, olaparib treatment significantly reduced engraftment of patient-derived xenografts. Thus KDM6A -mutant human primary AML samples have increased susceptibility to Poly-(ADP-ribose)-polymerase (PARP) inhibition in vivo . Crucially, a higher KDM6A expression is correlated with venetoclax tolerance. Loss of KDM6A increased mitochondrial activity, BCL2 expression, and sensitized AML cells to venetoclax. Additionally, KDM6A loss was accompanied with a downregulated BCL2A1, which is commonly associated with venetoclax resistance. Corroborating these results, dual targeting of PARP and BCL2 was superior to PARP or BCL2 inhibitor monotherapy in inducing AML apoptosis, and primary AML cells carrying acquired KDM6A -domain mutations were even more sensitive to the combination. Together, our study illustrates a mechanistic rationale in support for a novel combination targeted therapy for human AML based on subtype heterogeneity, and establishes KDM6A as an important molecular regulator for determining therapeutic efficacy.

Abstract The ability of leukemic stem cells (LSC) to evade therapy and fuel leukemic progression causing relapse impedes therapeutic success in acute myeloid leukemia (AML). The LSC pool within a patient sample is not homogenous but comprises distinct LSC subsets that vary in self-renewal and propagation properties. The stemness programs that underlie LSC types are poorly understood since human LSC studies require primary patient samples where LSC numbers are low and isolation methods impure. To overcome these challenges, we developed a patient-derived AML model system (OCI-AML22) displaying a functionally, transcriptionally and epigenetically defined cellular hierarchy driven by functional LSCs that can be immunophenotypically identified and isolated. Through single cell and functional approaches, the OCI-AML22 LSC fraction was found to contain distinct LSCs that vary in proliferative and differentiation properties. OCI-AML22 represents a valuable resource to decipher mechanisms driving stemness and the multiple layers of heterogeneity within LSCs.

The leukemia stem cell (LSC) compartment is a complex reservoir fueling disease progression in acute myeloid leukemia (AML). The existence of heterogeneity within this compartment is well documented but prior studies have focused on genetic heterogeneity without being able to address functional heterogeneity. Understanding this heterogeneity is critical for the informed design of therapies targeting LSC, but has been hampered by LSC scarcity and the lack of reliable cell surface markers for viable LSC isolation. To overcome these challenges, we turned to the patient-derived OCI-AML22 cell model. This model includes functionally, transcriptionally and epigenetically characterized LSC broadly representative of LSC found in primary AML samples. Focusing on the pool of LSC, we used an integrated approach combining xenograft assays with single-cell analysis to identify two LSC subtypes with distinct transcriptional, epigenetic and functional properties. These LSC subtypes differed in depth of quiescence, differentiation potential, repopulation capacity, sensitivity to chemotherapy and could be isolated based on CD112 expression. A majority of AML patient samples had transcriptional signatures reflective of either LSC subtype, and some even showed coexistence within an individual sample. This work provides a framework for investigating the LSC compartment and designing combinatorial therapeutic strategies in AML.

SUMMARY Gene expression profiling and proteome analysis of normal and malignant hematopoietic stem cells (HSC) point to shared core stemness properties. However, discordance between mRNA and protein signatures underscores an important role for post-transcriptional regulation by miRNAs in governing this critical nexus. Here, we identified miR-130a as a regulator of HSC self-renewal and differentiation. Enforced expression of miR-130a impaired B lymphoid differentiation and expanded long-term HSC. Integration of protein mass spectrometry and chimeric AGO2 eCLIP-seq identified TBL1XR1 as a primary miR-130a target, whose loss of function phenocopied miR-130a overexpression. Moreover, we found that miR-130a is highly expressed in t(8;21) AML where it is critical for maintaining the oncogenic molecular program mediated by AML1-ETO. Our study establishes that identification of the comprehensive miRNA targetome within primary cells enables discovery of novel genes and molecular networks underpinning stemness properties of normal and leukemic cells. HIGHLIGHTS miR-130a is a regulator of HSC self-renewal and lineage commitment TBL1XR1 is a principal target of miR-130a TBL1XR1 loss of function in HSPC phenocopies enforced expression of miR-130a Elevated miR-130a levels maintain the AML1-ETO repressive program in t(8;21) AML