Although cancer classification has improved over the past 30 years, there has been no general approach for identifying new cancer classes (class discovery) or for assigning tumors to known classes (class prediction). Here, a generic approach to cancer classification based on gene expression monitoring by DNA microarrays is described and applied to human acute leukemias as a test case. A class discovery procedure automatically discovered the distinction between acute myeloid leukemia (AML) and acute lymphoblastic leukemia (ALL) without previous knowledge of these classes. An automatically derived class predictor was able to determine the class of new leukemia cases. The results demonstrate the feasibility of cancer classification based solely on gene expression monitoring and suggest a general strategy for discovering and predicting cancer classes for other types of cancer, independent of previous biological knowledge.

Early T-cell precursor acute lymphoblastic leukaemia (ETP ALL) is an aggressive malignancy of unknown genetic basis. We performed whole-genome sequencing of 12 ETP ALL cases and assessed the frequency of the identified somatic mutations in 94 T-cell acute lymphoblastic leukaemia cases. ETP ALL was characterized by activating mutations in genes regulating cytokine receptor and RAS signalling (67% of cases; NRAS, KRAS, FLT3, IL7R, JAK3, JAK1, SH2B3 and BRAF), inactivating lesions disrupting haematopoietic development (58%; GATA3, ETV6, RUNX1, IKZF1 and EP300) and histone-modifying genes (48%; EZH2, EED, SUZ12, SETD2 and EP300). We also identified new targets of recurrent mutation including DNM2, ECT2L and RELN. The mutational spectrum is similar to myeloid tumours, and moreover, the global transcriptional profile of ETP ALL was similar to that of normal and myeloid leukaemia haematopoietic stem cells. These findings suggest that addition of myeloid-directed therapies might improve the poor outcome of ETP ALL. This work shows that treatments used for acute myeloid leukaemia and targeted therapies could be used for early T-cell precursor acute lymphoblastic leukaemia. The early T-cell precursor (ETP) subtype of childhood acute lymphoblastic leukaemia (ALL) has a poor prognosis when treated with standard chemotherapy. Whole genome sequencing is used here to gain insights into the genetic basis of the condition. The results reveal a high frequency of activating mutations in genes regulating cytokine receptor and Ras signalling, lesions that disrupt haemopoiesis (many of which arise from chromosomal rearrangements that generate novel chimeric in-frame fusion genes), and inactivating mutations in histone modifying genes. This mutation pattern resembles that of myeloid malignancies, suggesting that myeloid-directed therapies such as high-dose cytarabine, or targeted therapies that inhibit cytokine receptor and JAK signalling, might be effective in ETP ALL.

The classification of myeloid neoplasms and acute leukemias was last updated in 2016 within a collaboration between the World Health Organization (WHO), the Society for Hematopathology, and the European Association for Haematopathology. This collaboration was primarily based on input from a clinical advisory committees (CACs) composed of pathologists, hematologists, oncologists, geneticists, and bioinformaticians from around the world. The recent advances in our understanding of the biology of hematologic malignancies, the experience with the use of the 2016 WHO classification in clinical practice, and the results of clinical trials have indicated the need for further revising and updating the classification. As a continuation of this CAC-based process, the authors, a group with expertise in the clinical, pathologic, and genetic aspects of these disorders, developed the International Consensus Classification (ICC) of myeloid neoplasms and acute leukemias. Using a multiparameter approach, the main objective of the consensus process was the definition of real disease entities, including the introduction of new entities and refined criteria for existing diagnostic categories, based on accumulated data. The ICC is aimed at facilitating diagnosis and prognostication of these neoplasms, improving treatment of affected patients, and allowing the design of innovative clinical trials.

Philadelphia chromosome–like acute lymphoblastic leukemia (Ph-like ALL) is characterized by a gene-expression profile similar to that of BCR–ABL1–positive ALL, alterations of lymphoid transcription factor genes, and a poor outcome. The frequency and spectrum of genetic alterations in Ph-like ALL and its responsiveness to tyrosine kinase inhibition are undefined, especially in adolescents and adults.

Human T cell leukemias can arise from oncogenes activated by specific chromosomal translocations involving the T cell receptor genes. Here we show that five different T cell oncogenes (HOX11, TAL1, LYL1, LMO1, and LMO2) are often aberrantly expressed in the absence of chromosomal abnormalities. Using oligonucleotide microarrays, we identified several gene expression signatures that were indicative of leukemic arrest at specific stages of normal thymocyte development: LYL1+ signature (pro-T), HOX11+ (early cortical thymocyte), and TAL1+ (late cortical thymocyte). Hierarchical clustering analysis of gene expression signatures grouped samples according to their shared oncogenic pathways and identified HOX11L2 activation as a novel event in T cell leukemogenesis. These findings have clinical importance, since HOX11 activation is significantly associated with a favorable prognosis, while expression of TAL1, LYL1, or, surprisingly, HOX11L2 confers a much worse response to treatment. Our results illustrate the power of gene expression profiles to elucidate transformation pathways relevant to human leukemia.

Charles Mullighan, Stephen Hunger, Jinghui Zhang and colleagues report a genomic analysis of 264 pediatric and young adult T-lineage acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) samples. They identify 106 candidate driver genes, 53 of which have not been described previously in pediatric T-ALL, as well as associations between mutations and disease stage or subtype. Genetic alterations that activate NOTCH1 signaling and T cell transcription factors, coupled with inactivation of the INK4/ARF tumor suppressors, are hallmarks of T-lineage acute lymphoblastic leukemia (T-ALL), but detailed genome-wide sequencing of large T-ALL cohorts has not been carried out. Using integrated genomic analysis of 264 T-ALL cases, we identified 106 putative driver genes, half of which had not previously been described in childhood T-ALL (for example, CCND3, CTCF, MYB, SMARCA4, ZFP36L2 and MYCN). We describe new mechanisms of coding and noncoding alteration and identify ten recurrently altered pathways, with associations between mutated genes and pathways, and stage or subtype of T-ALL. For example, NRAS/FLT3 mutations were associated with immature T-ALL, JAK3/STAT5B mutations in HOXA1 deregulated ALL, PTPN2 mutations in TLX1 deregulated T-ALL, and PIK3R1/PTEN mutations in TAL1 deregulated ALL, which suggests that different signaling pathways have distinct roles according to maturational stage. This genomic landscape provides a logical framework for the development of faithful genetic models and new therapeutic approaches.

In certain human cancers, the expression of critical oncogenes is driven from large regulatory elements, called super-enhancers, that recruit much of the cell’s transcriptional apparatus and are defined by extensive acetylation of histone H3 lysine 27 (H3K27ac). In a subset of T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) cases, we found that heterozygous somatic mutations are acquired that introduce binding motifs for the MYB transcription factor in a precise noncoding site, which creates a super-enhancer upstream of the TAL1 oncogene. MYB binds to this new site and recruits its H3K27 acetylase–binding partner CBP, as well as core components of a major leukemogenic transcriptional complex that contains RUNX1, GATA-3, and TAL1 itself. Additionally, most endogenous super-enhancers found in T-ALL cells are occupied by MYB and CBP, which suggests a general role for MYB in super-enhancer initiation. Thus, this study identifies a genetic mechanism responsible for the generation of oncogenic super-enhancers in malignant cells.

Genomic profiling has identified a subtype of high-risk B-progenitor acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) with alteration of IKZF1, a gene expression profile similar to BCR-ABL1-positive ALL and poor outcome (Ph-like ALL). The genetic alterations that activate kinase signaling in Ph-like ALL are poorly understood. We performed transcriptome and whole genome sequencing on 15 cases of Ph-like ALL and identified rearrangements involving ABL1, JAK2, PDGFRB, CRLF2, and EPOR, activating mutations of IL7R and FLT3, and deletion of SH2B3, which encodes the JAK2-negative regulator LNK. Importantly, several of these alterations induce transformation that is attenuated with tyrosine kinase inhibitors, suggesting the treatment outcome of these patients may be improved with targeted therapy.

The genetic basis of hypodiploid acute lymphoblastic leukemia (ALL), a subtype of ALL characterized by aneuploidy and poor outcome, is unknown. Genomic profiling of 124 hypodiploid ALL cases, including whole-genome and exome sequencing of 40 cases, identified two subtypes that differ in the severity of aneuploidy, transcriptional profiles and submicroscopic genetic alterations. Near-haploid ALL with 24-31 chromosomes harbor alterations targeting receptor tyrosine kinase signaling and Ras signaling (71%) and the lymphoid transcription factor gene IKZF3 (encoding AIOLOS; 13%). In contrast, low-hypodiploid ALL with 32-39 chromosomes are characterized by alterations in TP53 (91.2%) that are commonly present in nontumor cells, IKZF2 (encoding HELIOS; 53%) and RB1 (41%). Both near-haploid and low-hypodiploid leukemic cells show activation of Ras-signaling and phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-signaling pathways and are sensitive to PI3K inhibitors, indicating that these drugs should be explored as a new therapeutic strategy for this aggressive form of leukemia.