Chromosomal rearrangements of the human MLL/KMT2A gene are associated with infant, pediatric, adult and therapy-induced acute leukemias. Here we present the data obtained from 2345 acute leukemia patients. Genomic breakpoints within the MLL gene and the involved translocation partner genes (TPGs) were determined and 11 novel TPGs were identified. Thus, a total of 135 different MLL rearrangements have been identified so far, of which 94 TPGs are now characterized at the molecular level. In all, 35 out of these 94 TPGs occur recurrently, but only 9 specific gene fusions account for more than 90% of all illegitimate recombinations of the MLL gene. We observed an age-dependent breakpoint shift with breakpoints localizing within MLL intron 11 associated with acute lymphoblastic leukemia and younger patients, while breakpoints in MLL intron 9 predominate in AML or older patients. The molecular characterization of MLL breakpoints suggests different etiologies in the different age groups and allows the correlation of functional domains of the MLL gene with clinical outcome. This study provides a comprehensive analysis of the MLL recombinome in acute leukemia and demonstrates that the establishment of patient-specific chromosomal fusion sites allows the design of specific PCR primers for minimal residual disease analyses for all patients.

Chromosomal rearrangements of the human MLL (mixed lineage leukemia) gene are associated with high-risk infant, pediatric, adult and therapy-induced acute leukemias. We used long-distance inverse-polymerase chain reaction to characterize the chromosomal rearrangement of individual acute leukemia patients. We present data of the molecular characterization of 1590 MLL-rearranged biopsy samples obtained from acute leukemia patients. The precise localization of genomic breakpoints within the MLL gene and the involved translocation partner genes (TPGs) were determined and novel TPGs identified. All patients were classified according to their gender (852 females and 745 males), age at diagnosis (558 infant, 416 pediatric and 616 adult leukemia patients) and other clinical criteria. Combined data of our study and recently published data revealed a total of 121 different MLL rearrangements, of which 79 TPGs are now characterized at the molecular level. However, only seven rearrangements seem to be predominantly associated with illegitimate recombinations of the MLL gene (∼90%): AFF1/AF4, MLLT3/AF9, MLLT1/ENL, MLLT10/AF10, ELL, partial tandem duplications (MLL PTDs) and MLLT4/AF6, respectively. The MLL breakpoint distributions for all clinical relevant subtypes (gender, disease type, age at diagnosis, reciprocal, complex and therapy-induced translocations) are presented. Finally, we present the extending network of reciprocal MLL fusions deriving from complex rearrangements.

Chromosomal rearrangements of the human MLL gene are associated with high-risk pediatric, adult and therapy-associated acute leukemias. These patients need to be identified, treated appropriately and minimal residual disease was monitored by quantitative PCR techniques. Genomic DNA was isolated from individual acute leukemia patients to identify and characterize chromosomal rearrangements involving the human MLL gene. A total of 760 MLL-rearranged biopsy samples obtained from 384 pediatric and 376 adult leukemia patients were characterized at the molecular level. The distribution of MLL breakpoints for clinical subtypes (acute lymphoblastic leukemia, acute myeloid leukemia, pediatric and adult) and fused translocation partner genes (TPGs) will be presented, including novel MLL fusion genes. Combined data of our study and recently published data revealed 104 different MLL rearrangements of which 64 TPGs are now characterized on the molecular level. Nine TPGs seem to be predominantly involved in genetic recombinations of MLL: AFF1/AF4, MLLT3/AF9, MLLT1/ENL, MLLT10/AF10, MLLT4/AF6, ELL, EPS15/AF1P, MLLT6/AF17 and SEPT6, respectively. Moreover, we describe for the first time the genetic network of reciprocal MLL gene fusions deriving from complex rearrangements.

The prognostic value of MRD in large series of childhood T-ALL has not yet been established. Trial AIEOP-BFM-ALL 2000 introduced standardized quantitative assessment of MRD for stratification, based on immunoglobulin and TCR gene rearrangements as polymerase chain reaction targets: Patients were considered MRD standard risk (MRD-SR) if MRD was negative at day 33 (time point 1 [TP1]) and day 78 (TP2), analyzed by at least 2 sensitive markers; MRD intermediate risk (MRD-IR) if positive either at day 33 or 78 and < 10(-3) at day 78; and MRD high risk (MRD-HR) if ≥ 10(-3) at day 78. A total of 464 patients with T-ALL were stratified by MRD: 16% of them were MRD-SR, 63% MRD-IR, and 21% MRD-HR. Their 7-year event-free-survival (SE) was 91.1% (3.5%), 80.6% (2.3%), and 49.8% (5.1%) (P < .001), respectively. Negativity of MRD at TP1 was the most favorable prognostic factor. An excellent outcome was also obtained in 32% of patients turning MRD negative only at TP2, indicating that early (TP1) MRD levels were irrelevant if MRD at TP2 was negative (48% of all patients). MRD ≥ 10(-3) at TP2 constitutes the most important predictive factor for relapse in childhood T-ALL. The study is registered at http://www.clinicaltrials.gov; "Combination Chemotherapy Based on Risk of Relapse in Treating Young Patients With Acute Lymphoblastic Leukemia," protocol identification #NCT00430118 for BFM and #NCT00613457 for AIEOP.

Detection of minimal residual disease (MRD) is the most sensitive method to evaluate treatment response and one of the strongest predictors of outcome in childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL). The 10-year update on the I-BFM-SG MRD study 91 demonstrates stable results (event-free survival), that is, standard risk group (MRD-SR) 93%, intermediate risk group (MRD-IR) 74%, and high risk group (MRD-HR) 16%. In multicenter trial AIEOP-BFM ALL 2000, patients were stratified by MRD detection using quantitative PCR after induction (TP1) and consolidation treatment (TP2). From 1 July 2000 to 31 October 2004, PCR target identification was performed in 3341 patients: 2365 (71%) patients had two or more sensitive targets (⩽10−4), 671 (20%) patients revealed only one sensitive target, 217 (6%) patients had targets with lower sensitivity, and 88 (3%) patients had no targets. MRD-based risk group assignment was feasible in 2594 (78%) patients: 40% were classified as MRD-SR (two sensitive targets, MRD negativity at both time points), 8% as MRD-HR (MRD ⩾10−3 at TP2), and 52% as MRD-IR. The remaining 823 patients were stratified according to clinical risk features: HR (n=108) and IR (n=715). In conclusion, MRD-PCR-based stratification using stringent criteria is feasible in almost 80% of patients in an international multicenter trial.

In vivo resistance to first-line chemotherapy, including to glucocorticoids, is a strong predictor of poor outcome in children with acute lymphoblastic leukemia (ALL). Modulation of cell death regulators represents an attractive strategy for subverting such drug resistance. Here we report complete resensitization of multidrug-resistant childhood ALL cells to glucocorticoids and other cytotoxic agents with subcytotoxic concentrations of obatoclax, a putative antagonist of BCL-2 family members. The reversal of glucocorticoid resistance occurred through rapid activation of autophagy-dependent necroptosis, which bypassed the block in mitochondrial apoptosis. This effect was associated with dissociation of the autophagy inducer beclin-1 from the antiapoptotic BCL-2 family member myeloid cell leukemia sequence 1 (MCL-1) and with a marked decrease in mammalian target of rapamycin (mTOR) activity. Consistent with a protective role for mTOR in glucocorticoid resistance in childhood ALL, combination of rapamycin with the glucocorticoid dexamethasone triggered autophagy-dependent cell death, with characteristic features of necroptosis. Execution of cell death, but not induction of autophagy, was strictly dependent on expression of receptor-interacting protein (RIP-1) kinase and cylindromatosis (turban tumor syndrome) (CYLD), two key regulators of necroptosis. Accordingly, both inhibition of RIP-1 and interference with CYLD restored glucocorticoid resistance completely. Together with evidence for a chemosensitizing activity of obatoclax in vivo, our data provide a compelling rationale for clinical translation of this pharmacological approach into treatments for patients with refractory ALL.

ABSTRACT Rhabdomyosarcoma (RMS) is an aggressive human pediatric cancer. Despite robust expression of myogenic regulatory factors, RMS cells are blocked in a proliferative state and do not terminally differentiate. The extent to which the skeletal muscle lineage is represented in RMS tumors and the mechanisms leading to developmental arrest remain elusive. Here, we combined single-cell RNA sequencing (scRNAseq), mass cytometry (CyTOF) and high-content imaging to resolve RMS heterogeneity. ScRNAseq and CyTOF analysis of a total of 17 patient-derived primary cultures and three cell lines uncovered plastic myogenic subpopulations that delineate a branched trajectory. The less aggressive embryonal RMS (eRMS) harbor primarily muscle stem cell (MuSC)-like cells and exhibit sparse commitment to differentiation. The more aggressive alveolar RMS (aRMS) comprise primarily actively cycling committed progenitors with a paucity of differentiated cells. The oncogenic fusion protein PAX3:FOXO1 sustains aRMS cells in the cycling trajectory loop, which we show can re-wired towards differentiation upon its downregulation or by dual pharmacological RAF and MEK inhibition. Our findings provide insights into the developmental states and trajectories underlying RMS progression and identify the RAS pathway as a promising target of differentiation therapy for human aRMS. STATEMENT OF SIGNIFICANCE We present the first comprehensive single-cell transcriptomic and proteomic atlas of pediatric rhabdomyosarcoma (RMS), in which we identify impaired myogenic trajectories with prognostic value. We demonstrate that RAS pathway inhibitors disrupt the oncogenic trajectory and induce terminal differentiation, revealing novel therapeutic targets for the aggressive alveolar RMS subtype.

Abstract The small molecule inhibitor of ataxia telangiectasia and Rad3-related protein (ATR), elimusertib, is currently being tested clinically in various cancer entities in adults and children. Its preclinical anti-tumor activity in pediatric malignancies, however, is largely unknown. We here assessed the preclinical activity of elimusertib in >40 cell lines and >30 patient-derived xenograft (PDX) models derived from common pediatric solid tumor entities. Detailed in vitro and in vivo molecular characterization of the treated models enabled the evaluation of response biomarkers. Pronounced objective response rates were observed for elimusertib monotherapy in PDX, when treated with a regimen currently used in clinical trials. Strikingly, elimusertib outperformed standard of care chemotherapies, particularly in alveolar rhabdomysarcoma PDX. Thus, elimusertib has strong preclinical anti-tumor activity in pediatric solid tumor models, which may translate to clinically meaningful responses in patients. Statement of translational relevance Elimusertib is a small molecule inhibitor of ATR. ATR inhibitors have shown promising results as anticancer agents in adult cancers, but there is limited information on their effectiveness in pediatric solid tumors. Using a cohort of 32 patient-derived xenografts from pediatric solid tumors, we here evaluated the therapeutic potential of elimusertib in vivo . Elimusertib reduced tumor volume growth in all samples. Elimusertib had very limited toxicity and was potent even in tumors with preexisting chemoresistance. Our preclinical data indicates that elimusertib is a safe and potent therapeutic option for pediatric solid tumors. This data may serve as a rationale for the development of pediatric clinical trials for ATR inhibitors.

Abstract Rhabdomyosarcoma (RMS) is a pediatric tumor that resembles undifferentiated muscle cells; yet the extent to which cell state heterogeneity is shared with human development has not been described. Using single-cell/nucleus RNA sequencing from patient tumors, patient-derived xenografts, primary in vitro cultures, and cell lines, we identify four dominant muscle-lineage cell states: progenitor, proliferative, differentiated, and ground cells. We stratify these RMS cells/nuclei along the continuum of human muscle development and show that they share expression patterns with fetal/embryonal myogenic precursors rather than postnatal satellite cells. Fusion-negative RMS (FN-RMS) have a discrete stem cell hierarchy that recapitulates fetal muscle development and contain therapy-resistant FN-RMS progenitors that share transcriptomic similarity with bipotent skeletal mesenchymal cells. Fusion-positive RMS have tumor-acquired cells states, including a neuronal cell state, that are not found in myogenic development. This work identifies previously underappreciated cell state heterogeneity including unique treatment-resistant and tumor-acquired cell states that differ across RMS subtypes.