Although aberrant DNA methylation has been observed previously in acute lymphoblastic leukemia (ALL), the patterns of differential methylation have not been comprehensively determined in all subtypes of ALL on a genome-wide scale. The relationship between DNA methylation, cytogenetic background, drug resistance and relapse in ALL is poorly understood. We surveyed the DNA methylation levels of 435,941 CpG sites in samples from 764 children at diagnosis of ALL and from 27 children at relapse. This survey uncovered four characteristic methylation signatures. First, compared with control blood cells, the methylomes of ALL cells shared 9,406 predominantly hypermethylated CpG sites, independent of cytogenetic background. Second, each cytogenetic subtype of ALL displayed a unique set of hyper- and hypomethylated CpG sites. The CpG sites that constituted these two signatures differed in their functional genomic enrichment to regions with marks of active or repressed chromatin. Third, we identified subtype-specific differential methylation in promoter and enhancer regions that were strongly correlated with gene expression. Fourth, a set of 6,612 CpG sites was predominantly hypermethylated in ALL cells at relapse, compared with matched samples at diagnosis. Analysis of relapse-free survival identified CpG sites with subtype-specific differential methylation that divided the patients into different risk groups, depending on their methylation status. Our results suggest an important biological role for DNA methylation in the differences between ALL subtypes and in their clinical outcome after treatment.

Structural chromosomal rearrangements that may lead to in-frame gene-fusions represent a leading source of information for diagnosis, risk stratification, and prognosis in pediatric acute lymphoblastic leukemia (ALL). However, short-read whole genome sequencing (WGS) technologies struggle to accurately identify and phase such large-scale chromosomal aberrations in cancer genomes. We therefore evaluated linked-read WGS for detection of chromosomal rearrangements in an ALL cell line (REH) and primary samples of varying DNA quality from 12 patients diagnosed with ALL. We assessed the effect of input DNA quality on phased haplotype block size and the detectability of copy number aberrations (CNAs) and structural variants (SVs). Biobanked DNA isolated by standard column-based extraction methods was sufficient to detect chromosomal rearrangements even at low 10x sequencing coverage. Linked-read WGS enabled precise, allele-specific, digital karyotyping at a base-pair resolution for a wide range of structural variants including complex rearrangements and aneuploidy assessment. With use of haplotype information from the linked-reads, we also identified additional structural variants, such as a compound heterozygous deletion of ERG in a patient with the DUX4-IGH fusion gene. Thus, linked-read WGS allows detection of important pathogenic variants in ALL genomes at a resolution beyond that of traditional karyotyping or short-read WGS.

We report a systematic analysis of the biological and clinical implications of DNA methylation variability in five categories of B-cell tumors derived from B cells spanning the entire maturation spectrum. We used 2056 primary samples including training and validation series and show that 88% of the human DNA methylome is dynamically modulated under normal and neoplastic conditions. B-cell tumors display both epigenetic imprints of their cellular origin and de novo , disease-specific epigenetic alterations that in part are related to differential transcription factor binding. These differential methylation patterns were used by a machine-learning approach to create a diagnostic algorithm that accurately classifies 14 B-cell tumor entities and subtypes with different clinical management. Beyond this, we identified extensive patient-specific epigenetic variability targeting constitutively silenced chromatin regions, a phenomenon we could relate to the proliferative history of normal and neoplastic B cells. We observed that, depending on the maturation stage of the tumor cell of origin, mitotic activity leaves different imprints into the DNA methylome. Subsequently, we constructed a novel DNA methylation-based mitotic clock called epiCMIT (epigenetically-determined Cumulative MIToses), whose lapse magnitude represents a strong independent prognostic variable within specific B-cell tumor subtypes and is associated with particular driver genetic alterations. Our findings reveal DNA methylation as a holistic tracker of B-cell tumor developmental history, with implications in the differential diagnosis and prediction of the outcome of the patients.