Clonal hematopoiesis (CH), in which stem cell clones dominate blood production, becomes increasingly common with age and can presage malignancy development. The conditions that promote ascendancy of particular clones are unclear. We found that mutations in PPM1D (protein phosphatase Mn2+/Mg2+-dependent 1D), a DNA damage response regulator that is frequently mutated in CH, were present in one-fifth of patients with therapy-related acute myeloid leukemia or myelodysplastic syndrome and strongly correlated with cisplatin exposure. Cell lines with hyperactive PPM1D mutations expand to outcompete normal cells after exposure to cytotoxic DNA damaging agents including cisplatin, and this effect was predominantly mediated by increased resistance to apoptosis. Moreover, heterozygous mutant Ppm1d hematopoietic cells outcompeted their wild-type counterparts in vivo after exposure to cisplatin and doxorubicin, but not during recovery from bone marrow transplantation. These findings establish the clinical relevance of PPM1D mutations in CH and the importance of studying mutation-treatment interactions.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI4ZDExNTkyMmQ4MTMxYzNlZTU1YTNkMjczYmVlNzc2OSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc3ODY2MjkxfQ.deb_y4YjjeXslXAK8jWmlUGLh1DzrIIaTwscdJ8gCKu0KMamkLg2qLDkevnj-m4n0B4IeXDRfE7OoiSaJEZyFAvJ-oXMlrd1h4DJLzsQzRgiXLM1yAIejtnfG1SMTPoj4Ucfh-u5m20-0Mh9_OogoqGZ2cdhZ7qNbO5gMXtm6un7WmEXdHWd1eWv-CkYU5LjjB6B_b1crTK6E-kYTrGTXFP_xecWnN662l37e3dRZZJ_cOtw82hDdDBrBiR-CjQPLw1fKAhUJ3n1bJUIKLtRFcOvtCTGvDdNm9x4nwM5HPdjt-t7uWocvuI0IftL9AumIKZVjHqDSDAAzhcAgtzmeA(mp4, (52.95 MB) Download video

Abstract Acute myeloid leukemia (AML) and effector cells of immune checkpoint blockade (ICB) therapy co-reside in a complex bone marrow (BM) milieu. The interplay of tumor intrinsic and microenvironment (TME) mechanisms that influences the response to ICB-based therapies in AML have not been elucidated. Here we report our analyses of single cell RNA profiling of more than 127,000 BM cells from healthy donors and relapsed/refractory (R/R) AML patients at pre/post treatment with azacitidine/nivolumab, paired with single cell T cell receptor (TCR) repertoire profiles, to uncover factors impacting response and resistance. Loss of chromosome 7/7q conferred an immunosuppressive TME and was associated with resistance to ICB-based therapy in R/R AML. Our trajectory analysis revealed a continuum of CD8+ T cell phenotypes, characterized by differential expression of granzyme B (GZMB) and GZMK. GZMK expression defined a BM residing memory CD8+ T cell subset with stem-like properties likely an intermediary between naïve and cytotoxic lymphocytes. Responses to ICB-based therapy were primarily driven by novel and expanded T cell clonotypes. Our findings support an adaptable T cell plasticity in response to PD-1 blockade in AML. Disentangling AML cells from their complex, immune-rich microenvironment revealed characteristics that shaped resistance to ICB-based therapy and could inform strategies to target AML vulnerabilities. Significance Determining the cellular and molecular underpinnings of response and resistance to PD-1 blockade based therapy in AML can guide immune-based therapeutic strategies. Our results reveal AML intrinsic characteristics (chromosome 7/7q status and oxidative stressors) and tumor microenvironment to modulate responses to checkpoint blockers. CD8 cells exist in the bone marrow in a continuum with GZMK expression defining a memory, stem-like T cell population that could play a role in response to therapy.

Isocitrate dehydrogenases (IDH) are involved in redox control and central metabolism. Mutations in IDH induce epigenetic and transcriptional reprogramming, differentiation bias, BCL-2 dependence and susceptibility to mitochondrial inhibitors in cancer cells. Here we show that high sensitivity to mitochondrial oxidative phosphorylation (OxPHOS) inhibitors is due to an enhanced mitochondrial oxidative metabolism in cell lines, PDX and patients with acute myeloid leukemia (AML) harboring IDH mutation. Along with an increase in TCA cycle intermediates, this AML-specific metabolic behavior mechanistically occurs through the increase in methylation-driven CEBPα- and CPT1a-induced fatty acid oxidation, electron transport chain complex I activity and mitochondrial respiration in IDH1 mutant AML. Furthermore, an IDH mutant inhibitor that significantly and systematically reduces 2-HG oncometabolite transiently reverses mitochondrial FAO and OxPHOS gene signature and activities in patients who responded to the treatment and achieved the remission. However, at relapse or in patients who did not respond, IDH mutant inhibitor failed to block these mitochondrial properties. Accordingly, OxPHOS inhibitors such as IACS-010759 improve anti-AML efficacy of IDH mutant inhibitors alone and in combination with chemotherapy in vivo. This work provides a scientific rationale for combinatory mitochondrial-targeted therapies to treat IDH mutant-positive AML patients, especially those unresponsive to or relapsing from IDH mutant-specific inhibitors.