Summary Cancer heterogeneity at the proteome level may explain differences in therapy response and prognosis beyond the currently established genomic and transcriptomic based diagnostics. The relevance of proteomics for disease classifications remains to be established in clinically heterogeneous cancer entities such as chronic lymphocytic leukemia (CLL). Here, we characterized the proteome and transcriptome in-depth alongside genetic and ex-vivo drug response profiling in a clinically well annotated CLL discovery cohort (n= 68). Unsupervised clustering of the proteome data revealed six subgroups. Five of these proteomic groups were associated with genetic features, while one group was only detectable at the proteome level. This new group was characterized by accelerated disease progression, high spliceosomal protein abundances associated with aberrant splicing, and low B cell receptor signaling protein abundances (ASB-CLL). We developed classifiers to identify ASB-CLL based on its characteristic proteome or splicing signature in two independent cohorts (n= 165, n= 169) and confirmed that ASB-CLL comprises about 20 % of CLL patients. The inferior overall survival observed in ASB-CLL was independent of both TP53- and IGHV mutation status. Our multi-omics analysis refines the classification of CLL and highlights the potential of proteomics to improve cancer patient stratification beyond genetic and transcriptomic profiling. Single sentence summary We performed the largest proteogenomic analysis of CLL, linked proteomic profiles to clinical outcomes, and discovered a new poor outcome subgroup (ASB-CLL).

Abstract The Bruton’s tyrosine kinase (BTK) inhibitor ibrutinib represents an effective strategy for treatment of chronic lymphocytic leukemia (CLL), nevertheless about 30% of patients eventually undergo disease progression. Here we investigated by flow cytometry the long-term modulation of the CLL CXCR4 dim /CD5 bright proliferative fraction (PF), its correlation with therapeutic outcome and emergence of ibrutinib resistance. By longitudinal tracking, the PF, initially suppressed by ibrutinib, reappeared upon early disease progression, without association with lymphocyte count or serum beta-2-microglobulin. Somatic mutations of BTK / PLCG2 , detected in 57% of progressing cases, were significantly enriched in PF with a 3-fold greater allele frequency than the non-PF fraction, suggesting a BTK/PLCG2 -mutated reservoir resident within the proliferative compartments. PF increase was also present in BTK/PLCG2 -unmutated cases at progression, indicating that PF evaluation could represent a marker of CLL progression under ibrutinib. Furthermore, we evidence different transcriptomic profiles of PF at progression in cases with or without BTK/PLCG2 mutations, suggestive of a reactivation of B-cell receptor signaling or the emergence of bypass signaling through MYC and/or Toll-Like-Receptor-9. Clinically, longitudinal monitoring of the CXCR4 dim /CD5 bright PF by flow cytometry may provide a simple tool helping to intercept CLL progression under ibrutinib therapy.