Aberrant fetal gene expression facilitates tumor-specific cellular plasticity by hijacking molecular programs of embryogenesis. Persistent fetal gene signatures in childhood malignancies are typically explained by their prenatal origins. In contrast, reactivation of fetal gene expression is considered a consequence of oncofetal reprogramming (OFR) in adult malignancies and is associated with aggressive disease. To date, OFR has not been described in the context of childhood malignancies. Here, we performed a comprehensive multi-layered molecular characterization of juvenile myelomonocytic leukemia (JMML) and identified OFR as a hallmark of aggressive JMML. We observed that hematopoietic stem cells (HSCs) aberrantly express mixed developmental programs in JMML. Expression of fetal gene signatures combined with a postnatal epigenetic landscape suggested OFR, which was validated in a JMML mouse model, demonstrating that postnatal activation of RAS signaling is sufficient to induce fetal gene signatures. Integrative analysis identified the fetal HSC maturation marker CD52 as a novel therapeutic target for aggressive JMML. Anti-CD52 treatment depleted human JMML HSCs and disrupted disease propagation in vivo. In summary, this study implicates OFR, defined as postnatal acquisition of fetal transcription signatures, in the pathobiology of a childhood malignancy. We provide evidence for the direct involvement of oncogenic RAS signaling in OFR. Finally, we demonstrate how OFR can be leveraged for the development of novel treatment strategies.

ABSTRACT Background The differentiation of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) to terminally differentiated immune cells is accompanied by large-scale remodeling of the DNA methylation landscape. While significant insights into the molecular mechanisms of hematopoietic tissue regeneration were derived from mouse models, profiling of DNA methylation changes has been hampered by high cost or low resolution using the methods available. This problem has been overcome by the recent development of the Infinium Mouse Methylation BeadChip (MMBC) array, facilitating methylation profiling of the mouse genome at single CpG resolution at affordable cost. Results We extended the RnBeads package to provide a computational framework for the analysis of MMBC data. This framework was applied to a newly generated MMBC reference map of mouse hematopoiesis encompassing nine different cell types. The analysis of dynamically regulated CpG sites showed progressive and unidirectional DNA methylation changes from HSPCs to differentiated hematopoietic cells and allowed the identification of lineage- and cell type-specific DNA methylation programs. Comparison to previously published catalogues of cis-regulatory elements (CREs) revealed 12,856 novel putative CREs which were dynamically regulated by DNA methylation (mdCREs). These mdCREs were predominantly associated with patterns of cell type-specific DNA hypomethylation and could be identified as epigenetic control regions regulating the expression of key hematopoietic genes during differentiation. Conclusions We established a publicly available analysis pipeline for MMBC datasets and provide a DNA methylation atlas of mouse hematopoiesis. This resource allowed us to identify novel putative CREs involved in hematopoiesis and will serve as a platform to study epigenetic regulation of normal and malignant hematopoiesis.

Acute myeloid leukemia with complex karyotype (ckAML) is characterized by high genomic complexity, including frequent TP53 mutations and chromothripsis. We hypothesized that the numerous genomic rearrangements could reposition active enhancers near proto-oncogenes, leading to their aberrant expression. We developed pyjacker, a computational tool for the detection of enhancer hijacking events, and applied it to a cohort of 39 ckAML samples. Pyjacker identified motor neuron and pancreas homeobox 1 (MNX1), a gene aberrantly expressed in 1.4% of AML patients, often as a result of del(7)(q22q36) associated with hijacking of a CDK6 enhancer. MNX1-activated cases show significant co-occurrence with BCOR mutations and a gene signature shared with t(7;12)(q36;p13) pediatric AML. We demonstrated that MNX1 is a dependency gene, as its knockdown in a xenograft model reduces leukemia cell fitness. In conclusion, enhancer hijacking is a frequent mechanism for oncogene activation in AML.

ABSTRACT Targeted analysis of DNA methylation patterns based on bisulfite-treated genomic DNA (BT-DNA) is considered as a gold-standard for epigenetic biomarker development. Existing software tools facilitate primer design, primer quality control or visualization of primer localization. However, high-throughput design of primers for BT-DNA amplification is hampered by limits in throughput and functionality of existing tools, requiring users to repeatedly perform specific tasks manually. Consequently, the design of PCR primers for BT-DNA remains a tedious and time-consuming process. To bridge this gap, we developed AmpliconDesign , a webserver providing a scalable and user-friendly platform for the design and analysis of targeted DNA methylation studies based on BT-DNA, e.g. deep amplicon bisulfite sequencing (ampBS-seq), EpiTYPER MassArray, or pyrosequencing. Core functionality of the web server includes high-throughput primer design and binding site validation based on in silico bisulfite-converted DNA sequences, prediction of fragmentation patterns for EpiTYPER MassArray, an interactive quality control as well as a streamlined analysis workflow for ampBS-seq. Availability and Implementation The AmpliconDesign webserver is freely available online at: https://amplicondesign.dkfz.de/ . AmpliconDesign has been implemented using the R Shiny framework (Chang et al. , 2018). The source code is publicly available under the GNU General Public License v3.0 ( https://github.com/MaxSchoenung/AmpliconDesign ). Contact Daniel B. Lipka ( d.lipka@dkfz.de ) & Maximilian Schönung ( m.schoenung@dkfz.de )