Tumor protein p53 (TP53) is the most frequently mutated gene in cancer1,2. In patients with myelodysplastic syndromes (MDS), TP53 mutations are associated with high-risk disease3,4, rapid transformation to acute myeloid leukemia (AML)5, resistance to conventional therapies6–8 and dismal outcomes9. Consistent with the tumor-suppressive role of TP53, patients harbor both mono- and biallelic mutations10. However, the biological and clinical implications of TP53 allelic state have not been fully investigated in MDS or any other cancer type. We analyzed 3,324 patients with MDS for TP53 mutations and allelic imbalances and delineated two subsets of patients with distinct phenotypes and outcomes. One-third of TP53-mutated patients had monoallelic mutations whereas two-thirds had multiple hits (multi-hit) consistent with biallelic targeting. Established associations with complex karyotype, few co-occurring mutations, high-risk presentation and poor outcomes were specific to multi-hit patients only. TP53 multi-hit state predicted risk of death and leukemic transformation independently of the Revised International Prognostic Scoring System (IPSS-R)11. Surprisingly, monoallelic patients did not differ from TP53 wild-type patients in outcomes and response to therapy. This study shows that consideration of TP53 allelic state is critical for diagnostic and prognostic precision in MDS as well as in future correlative studies of treatment response. Clinical sequencing across a large prospective cohort of patients with myelodysplasic syndrome uncovers distinct associations between the mono- and biallelic states of TP53 and clinical presentation

TP53 mutations are associated with poor clinical outcomes and treatment resistance in myelodysplastic syndromes. However, the biological and clinical relevance of the underlying mono- or bi-allelic state of the mutations is unclear. We analyzed 3,324 MDS patients for TP53 mutations and allelic imbalances of the TP53 locus and found that 1 in 3 TP53 -mutated patients had mono-allelic targeting of the gene whereas 2 in 3 had multiple hits consistent with bi-allelic targeting. The established associations for TP53 with complex karyotype, high-risk presentation, poor survival and rapid leukemic transformation were specific to patients with multi-hit state only. TP53 multi-hit state predicted risk of death and leukemic transformation independently of the Revised International Prognostic Scoring System, while mono-allelic patients did not differ from TP53 wild-type patients. The separation by allelic state was retained in therapy-related MDS. Findings were validated in a cohort of 1,120 patients. Ascertainment of TP53 allelic state is critical for diagnosis, risk estimation and prognostication precision in MDS, and future correlative studies of treatment response should consider TP53 allelic state.

The malignant progression of multiple myeloma is characterized by the seeding of cancer cells in different anatomic sites followed by their clonal expansion. It has been demonstrated that this spatial evolution at varying anatomic sites is characterized by genomic heterogeneity. However, it is unclear whether each anatomic site at relapse reflects the expansion of pre-existing but previously undetected disease or secondary seeding from other sites. Furthermore, genomic evolution over time at spatially distinct sites of disease has not been investigated in a systematic manner. To address this, we interrogated 25 samples, by whole genome sequencing, collected at autopsy from 4 patients with relapsed multiple myeloma and demonstrated that each site had a unique evolutionary trajectory characterized by distinct single and complex structural variants and copy number changes. By analyzing the landscape of mutational signatures at these sites and for an additional set of 125 published whole exomes collected from 51 patients, we demonstrate the profound mutagenic effect of melphalan and platinum in relapsed multiple myeloma. Chemotherapy-related mutagenic processes are known to introduce hundreds of unique mutations in each surviving cancer cell. These mutations can be detectable by bulk sequencing only in cases of clonal expansion of a single cancer cell bearing the mutational signature linked to chemotherapy exposure thus representing a unique single-cell genomic barcode linked to a discrete time window in each patient life. We leveraged this concept to show that multiple myeloma systemic seeding is accelerated at clinical relapse and appears to be driven by the survival and subsequent expansion of a single myeloma cell following treatment with high dose melphalan therapy and autologous stem cell transplant.