The use of liquid biopsies for cancer detection and management is rapidly gaining prominence1. Current methods for the detection of circulating tumour DNA involve sequencing somatic mutations using cell-free DNA, but the sensitivity of these methods may be low among patients with early-stage cancer given the limited number of recurrent mutations2-5. By contrast, large-scale epigenetic alterations-which are tissue- and cancer-type specific-are not similarly constrained6 and therefore potentially have greater ability to detect and classify cancers in patients with early-stage disease. Here we develop a sensitive, immunoprecipitation-based protocol to analyse the methylome of small quantities of circulating cell-free DNA, and demonstrate the ability to detect large-scale DNA methylation changes that are enriched for tumour-specific patterns. We also demonstrate robust performance in cancer detection and classification across an extensive collection of plasma samples from several tumour types. This work sets the stage to establish biomarkers for the minimally invasive detection, interception and classification of early-stage cancers based on plasma cell-free DNA methylation patterns.

Abstract This study dissected the complexity of the immune architecture of acute myeloid leukemia (AML) at high resolution and assessed its influence on therapeutic response. Using 387 primary bone marrow samples from three discovery cohorts of children and adults with AML, we defined immune-infiltrated and immune-depleted disease subtypes and unraveled critical differences in immune gene expression across age groups and disease stages. Importantly, interferon (IFN)-γ-related mRNA profiles were predictive for both chemotherapy resistance and response of primary refractory/relapsed AML to flotetuzumab immunotherapy. Our compendium of microenvironmental gene and protein profiles sheds novel insights into the immuno-biology of AML and will inform the delivery of personalized immunotherapies to IFN-γ-dominant AML subtypes.

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.

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.