X-linked SCID (SCID-X1) is amenable to correction by gene therapy using conventional gammaretroviral vectors. Here, we describe the occurrence of clonal T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) promoted by insertional mutagenesis in a completed gene therapy trial of 10 SCID-X1 patients. Integration of the vector in an antisense orientation 35 kb upstream of the protooncogene LIM domain only 2 (LMO2) caused overexpression of LMO2 in the leukemic clone. However, leukemogenesis was likely precipitated by the acquisition of other genetic abnormalities unrelated to vector insertion, including a gain-of-function mutation in NOTCH1, deletion of the tumor suppressor gene locus cyclin-dependent kinase 2A (CDKN2A), and translocation of the TCR-β region to the STIL-TAL1 locus. These findings highlight a general toxicity of endogenous gammaretroviral enhancer elements and also identify a combinatorial process during leukemic evolution that will be important for risk stratification and for future protocol design.

Most patients with rare diseases do not receive a molecular diagnosis and the aetiological variants and causative genes for more than half such disorders remain to be discovered1. Here we used whole-genome sequencing (WGS) in a national health system to streamline diagnosis and to discover unknown aetiological variants in the coding and non-coding regions of the genome. We generated WGS data for 13,037 participants, of whom 9,802 had a rare disease, and provided a genetic diagnosis to 1,138 of the 7,065 extensively phenotyped participants. We identified 95 Mendelian associations between genes and rare diseases, of which 11 have been discovered since 2015 and at least 79 are confirmed to be aetiological. By generating WGS data of UK Biobank participants2, we found that rare alleles can explain the presence of some individuals in the tails of a quantitative trait for red blood cells. Finally, we identified four novel non-coding variants that cause disease through the disruption of transcription of ARPC1B, GATA1, LRBA and MPL. Our study demonstrates a synergy by using WGS for diagnosis and aetiological discovery in routine healthcare. Whole-genome sequencing and phenotype data sharing are introduced in a national health system to streamline diagnosis and to discover coding and non-coding variants that cause rare diseases.

Understanding cancer pathogenesis requires knowledge of not only the specific contributory genetic mutations but also the cellular framework in which they arise and function. Here we explore the clonal evolution of a form of childhood precursor–B cell acute lymphoblastic leukemia that is characterized by a chromosomal translocation generating a TEL-AML1 fusion gene. We identify a cell compartment in leukemic children that can propagate leukemia when transplanted in mice. By studying a monochorionic twin pair, one preleukemic and one with frank leukemia, we establish the lineal relationship between these “cancer-propagating” cells and the preleukemic cell in which the TEL-AML1 fusion first arises or has functional impact. Analysis of TEL-AML1 –transduced cord blood cells suggests that TEL-AML1 functions as a first-hit mutation by endowing this preleukemic cell with altered self-renewal and survival properties.

Although survival of children with acute lymphoblastic leukaemia has improved greatly in the past two decades, the outcome of those who relapse has remained static. We investigated the outcome of children with acute lymphoblastic leukaemia who relapsed on present therapeutic regimens.This open-label randomised trial was undertaken in 22 centres in the UK and Ireland and nine in Australia and New Zealand. Patients aged 1-18 years with first relapse of acute lymphoblastic leukaemia were stratified into high-risk, intermediate-risk, and standard-risk groups on the basis of duration of first complete remission, site of relapse, and immunophenotype. All patients were allocated to receive either idarubicin or mitoxantrone in induction by stratified concealed randomisation. Neither patients nor those giving interventions were masked. After three blocks of therapy, all high-risk group patients and those from the intermediate group with postinduction high minimal residual disease (≥10(-4) cells) received an allogenic stem-cell transplant. Standard-risk and intermediate-risk patients with postinduction low minimal residual disease (<10(-4) cells) continued chemotherapy. The primary outcome was progression-free survival and the method of analysis was intention-to-treat. Randomisation was stopped in December, 2007 because of differences in progression-free and overall survival between the two groups. This trial is registered, reference number ISCRTN45724312.Of 239 registered patients, 216 were randomly assigned to either idarubicin (109 analysed) or mitoxantrone (103 analysed). Estimated 3-year progression-free survival was 35·9% (95% CI 25·9-45·9) in the idarubicin group versus 64·6% (54·2-73·2) in the mitoxantrone group (p=0·0004), and 3-year overall survival was 45·2% (34·5-55·3) versus 69·0% (58·5-77·3; p=0·004). Differences in progression-free survival between groups were mainly related to a decrease in disease events (progression, second relapse, disease-related deaths; HR 0·56, 0·34-0·92, p=0·007) rather than an increase in adverse treatment effects (treatment death, second malignancy; HR 0·52, 0·24-1·11, p=0·11).As compared with idarubicin, mitoxantrone conferred a significant benefit in progression-free and overall survival in children with relapsed acute lymphobastic leukaemia, a potentially useful clinical finding that warrants further investigation.Cancer Research UK, Leukaemia and Lymphoma Research, Cancer Council NSW, and Sporting Chance Cancer Foundation.

ABSTRACT Although 90% of children with acute lymphoblastic leukemia (ALL) are now cured 1 , the prognosis of infant-ALL (diagnosis within the first year of life) remains dismal 2 . Infant-ALL is usually caused by a single genetic hit that arises in utero : rearrangement of the MLL/KMT2A gene ( MLL-r ). This is sufficient to give rise to a uniquely aggressive and treatment-refractory leukemia compared to older children with the same MLL-r 3–5 . The reasons for disparate outcomes in patients of different ages with identical driver mutations are unknown. This paper addresses the hypothesis that fetal-specific gene expression programs co-operate with MLL-AF4 to initiate and maintain infant-ALL. Using direct comparison of fetal and adult HSC and progenitor transcriptomes we identify fetal-specific gene expression programs in primary human cells. We show that MLL-AF4 -driven infant-ALL, but not MLL-AF4 childhood-ALL, displays expression of fetal-specific genes. In a direct test of this observation, we find that CRISPR-Cas9 gene editing of primary human fetal liver cells to produce a t(4;11)/ MLL-AF4 translocation replicates the clinical features of infant-ALL and drives infant-ALL-specific and fetal-specific gene expression programs. These data strongly support the hypothesis that fetal-specific gene expression programs co-operate with MLL-AF4 to initiate and maintain the distinct biology of infant-ALL.

Infant acute lymphoblastic leukemia (ALL) is an aggressive malignancy that has historically been associated with a very poor prognosis. Despite large co-operative international trials and incremental increases in intensity of therapy, there has been no significant improvement in outcome over the last 3 decades. Using representative cases, we highlight the key differences between KMT2A-rearranged and KMT2A-germline infant ALL, and how advances in molecular diagnostics are unpicking KMT2A-germline genetics and guiding treatment reduction. We focus on KM2TA-rearranged infant B-cell ALL where the last few years have seen the emergence of novel therapies which both are more effective and less toxic than conventional chemotherapy. Of these, there is promising early data on the efficacy and tolerability of the bi-specific T-cell engager monoclonal antibody, blinatumomab, as well as the use of autologous and allogeneic chimeric antigen receptor T-cell therapy. We discuss how we can improve risk stratification and incorporate these new agents to replace the most toxic elements of currently deployed intensive chemotherapy schedules with their associated unacceptable toxicity.