The fusion gene MLL/AF4 defines a high-risk subtype of pro-B acute lymphoblastic leukemia. Relapse can be associated with a lineage switch from acute lymphoblastic to acute myeloid leukemia, resulting in poor clinical outcomes caused by resistance to chemotherapies and immunotherapies. In this study, the myeloid relapses shared oncogene fusion breakpoints with their matched lymphoid presentations and originated from various differentiation stages from immature progenitors through to committed B-cell precursors. Lineage switching is linked to substantial changes in chromatin accessibility and rewiring of transcriptional programs, including alternative splicing. These findings indicate that the execution and maintenance of lymphoid lineage differentiation is impaired. The relapsed myeloid phenotype is recurrently associated with the altered expression, splicing, or mutation of chromatin modifiers, including CHD4 coding for the ATPase/helicase of the nucleosome remodelling and deacetylation complex. Perturbation of CHD4 alone or in combination with other mutated epigenetic modifiers induces myeloid gene expression in MLL/AF4+ cell models, indicating that lineage switching in MLL/AF4 leukemia is driven and maintained by disrupted epigenetic regulation.

SummaryThe translocation MLL-AF4 defines a high-risk subtype of acute leukaemia which, uniquely amongst MLL translocations, is almost exclusively associated with a pro-B lymphoid phenotype. However, the ability to switch lineage at relapse allowed interrogation of the cellular origin and lineage determinants of this leukaemia. The origin of MLL-AF4 lymphoid leukaemia was commonly within a multipotent precursor population. In contrast, relapse as MLL-AF4 AML occurs from either a multipotent progenitor or a committed pro-B leukaemic clone. Lineage switching results from the dysregulation of chromatin modifiers, including the nucleosome remodelling and deacetylation complex, NuRD, completely extinguishing the B lymphoid gene regulatory network, instead establishing a myeloid epigenotype. We propose that, in contrast to mixed phenotype acute leukaemias, lineage switch in MLL-AF4 leukemia is driven and maintained by a reorganised epigenome.

Abstract The fusion gene MLL-AF4 defines a high-risk subtype of pro-B acute lymphoblastic leukaemia. However, relapse can be associated with a switch from acute lymphoblastic to acute myeloid leukaemia. Here we show that these myeloid relapses share oncogene fusion breakpoints with their matched lymphoid presentations and can originate in either early, multipotent progenitors or committed B-cell precursors. Lineage switching is linked to substantial changes in chromatin accessibility and rewiring of transcriptional programmes indicating that the execution and maintenance of lymphoid lineage differentiation is impaired. We show that this subversion is recurrently associated with the dysregulation of repressive chromatin modifiers, notably the nucleosome remodelling and deacetylation complex, NuRD. In addition to mutations, we show differential expression or alternative splicing of NuRD members and other genes is able to reprogram the B lymphoid into a myeloid gene regulatory network. Lineage switching in MLL-AF4 leukaemia is therefore driven and maintained by defunct epigenetic regulation. Statement of Significance We demonstrate diverse cellular origins of lineage switched relapse within MLL - AF4 pro-B acute leukaemia. Irrespective of the developmental origin of relapse, dysregulation of NuRD and/or other epigenetic machinery underpins fundamental lineage reprogramming with profound implications for the increasing use of epitope directed therapies in this high-risk leukaemia.