Abstract Many human cancers, including acute myeloid leukemia (AML), arise from mutations of stem and progenitor cells. Immunophenotypic profiling has shown that leukemia develops hierarchically, with mutations in leukemia stem cells associated with disease propagation and relapse 1,2 . Although leukemia initiating cells can be enriched using cell surface markers, their frequency tends to be variable and low, obscuring mechanisms and hindering effective therapies 3,4 . To define AML stem cells in human patients, we performed functional genomic profiling of diverse leukemias using label tracing techniques designed to preserve hematopoietic stem cell (HSC) function in vivo. We found that propagation of human AML is mediated by a rare but distinct quiescent label-retaining cell (LRC) population that evades detection by currently known immunophenotypic markers. We show that human AML LRC quiescence is reversible, sparing genetic clonal competition that maintains its epigenetic inheritance. LRC quiescence is defined by distinct promoter-centered chromatin and gene expression dynamics, and controlled by a novel AP-1/ETS transcription factor network, which is associated with disease persistence and chemotherapy resistance in diverse patients. These results enable prospective isolation and functional genetic manipulation of immunophenotypically-varied leukemia stem cells in human patient specimens, as well as establish the key functions of epigenetic plasticity in leukemia development and therapy resistance. We anticipate that these findings will lead to the elucidation of essential properties of leukemia stem cell quiescence and the design of therapeutic strategies for their clinical identification and control.

In acute myeloid leukemia, chemotherapy resistance remains prevalent and poorly understood. Using functional proteomics of patient AML specimens, we identified MEF2C S222 phosphorylation as a specific marker of primary chemoresistance. We found that Mef2c S222A/S222A knock-in mutant mice engineered to block MEF2C phosphorylation exhibited normal hematopoiesis, but were resistant to leukemogenesis induced by MLL-AF9. MEF2C phosphorylation was required for leukemia stem cell maintenance, and induced by MARK kinases in cells. Treatment with the selective MARK inhibitor MRT199665 caused apoptosis of MEF2C-activated human AML cell lines and primary patient specimens, but not those lacking MEF2C phosphorylation. These findings identify kinase-dependent dysregulation of transcription factor control as a determinant of therapy response in AML, with immediate potential for improved diagnosis and treatment for this disease.

Despite intense efforts, the cure rates of children and adults with AML remain unsatisfactory in large part due to resistance to chemotherapy. Whilst cytogenetic risk stratification proved valuable in identifying causes of therapy failure and disease relapse, cytogenetically normal AML remains the most prevalent disease type, with significant heterogeneity of clinical outcomes, including primary chemoresistance. Using targeted sequencing of 670 genes recurrently mutated in hematologic malignancies, we investigated the genetic basis of primary chemotherapy resistance and remission induction failure of 107 primary cases obtained at diagnosis from children and adults with cytogenetically normal AML. Comparative analysis revealed mutations of SETBP1, ASXL1 and RELN to be significantly enriched at diagnosis in primary induction failure as compared to remission cases. In addition, this analysis revealed novel genomic alterations not previously described in AML, as well as distinct genes that are significantly overexpressed in therapy resistant AML. However, identified gene mutations were sufficient to explain only a minority of cases of primary induction failure. Thus, additional genetic or molecular mechanisms must cause primary chemoresistance in pediatric and adult acute myeloid leukemias.

Aberrant gene expression is a hallmark of acute leukemias. However, therapeutic strategies for its blockade are generally lacking, largely due to the pharmacologic challenges of drugging transcription factors. MYB-driven gene trans-activation with CREB-binding protein (CBP)/P300 is required for the initiation and maintenance of a variety of acute lymphoblastic and myeloid leukemias, including refractory MLL-rearranged leukemias. Using structure-guided molecular design, we developed a prototypical peptidomimetic inhibitor MYBMIM that interferes with the assembly of the molecular MYB:CBP/P300 complex at micromolar concentrations and rapidly accumulates in the nuclei of AML cells. We found that treatment of AML cells with MYBMIM, led to the displacement of the MYB:CBP/P300 complex in cells, displacement of MYB from oncogenic enhancers and promoters enriched for MYB binding sites, and downregulation of MYB-dependent gene expression, including of MYC and BCL2 oncogenes. Both human MLL-rearranged and non-rearranged AML cells, underwent mitochondrial apoptosis in response to MYBMIM treatment, which could be partially rescued by ectopic expression of BCL2. We observed that MYBMIM treatment impeded leukemia growth and extended survival of immunodeficient mice engrafted with primary patient-derived MLL-rearranged leukemia cells. These findings emphasize the exquisite dependence of human AML on MYB:CBP/P300 transcriptional dysregulation, and establish a pharmacologic approach for its therapeutic blockade.

Plasmodium falciparum malaria causes half a million deaths per year, with up to 9% of this mortality caused by cerebral malaria (CM). One of the major processes contributing to the development of CM is an excess of host inflammatory cytokines. Recently K+ signaling has emerged as an important mediator of the inflammatory response to infection; we therefore investigated whether mice carrying an ENU induced activation of the electroneutral K+ channel KCC1 had an altered response to Plasmodium berghei. Here we show that Kcc1M935K/M935K mice are protected from the development of experimental cerebral malaria, and that this protection is associated with an increased CD4+ T cells and TNF-α response. This is the first description of a K+ channel affecting the development of experimental cerebral malaria.