Early T-cell precursor acute lymphoblastic leukaemia (ETP ALL) is an aggressive malignancy of unknown genetic basis. We performed whole-genome sequencing of 12 ETP ALL cases and assessed the frequency of the identified somatic mutations in 94 T-cell acute lymphoblastic leukaemia cases. ETP ALL was characterized by activating mutations in genes regulating cytokine receptor and RAS signalling (67% of cases; NRAS, KRAS, FLT3, IL7R, JAK3, JAK1, SH2B3 and BRAF), inactivating lesions disrupting haematopoietic development (58%; GATA3, ETV6, RUNX1, IKZF1 and EP300) and histone-modifying genes (48%; EZH2, EED, SUZ12, SETD2 and EP300). We also identified new targets of recurrent mutation including DNM2, ECT2L and RELN. The mutational spectrum is similar to myeloid tumours, and moreover, the global transcriptional profile of ETP ALL was similar to that of normal and myeloid leukaemia haematopoietic stem cells. These findings suggest that addition of myeloid-directed therapies might improve the poor outcome of ETP ALL. This work shows that treatments used for acute myeloid leukaemia and targeted therapies could be used for early T-cell precursor acute lymphoblastic leukaemia. The early T-cell precursor (ETP) subtype of childhood acute lymphoblastic leukaemia (ALL) has a poor prognosis when treated with standard chemotherapy. Whole genome sequencing is used here to gain insights into the genetic basis of the condition. The results reveal a high frequency of activating mutations in genes regulating cytokine receptor and Ras signalling, lesions that disrupt haemopoiesis (many of which arise from chromosomal rearrangements that generate novel chimeric in-frame fusion genes), and inactivating mutations in histone modifying genes. This mutation pattern resembles that of myeloid malignancies, suggesting that myeloid-directed therapies such as high-dose cytarabine, or targeted therapies that inhibit cytokine receptor and JAK signalling, might be effective in ETP ALL.

Charles Mullighan, Stephen Hunger, Jinghui Zhang and colleagues report a genomic analysis of 264 pediatric and young adult T-lineage acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) samples. They identify 106 candidate driver genes, 53 of which have not been described previously in pediatric T-ALL, as well as associations between mutations and disease stage or subtype. Genetic alterations that activate NOTCH1 signaling and T cell transcription factors, coupled with inactivation of the INK4/ARF tumor suppressors, are hallmarks of T-lineage acute lymphoblastic leukemia (T-ALL), but detailed genome-wide sequencing of large T-ALL cohorts has not been carried out. Using integrated genomic analysis of 264 T-ALL cases, we identified 106 putative driver genes, half of which had not previously been described in childhood T-ALL (for example, CCND3, CTCF, MYB, SMARCA4, ZFP36L2 and MYCN). We describe new mechanisms of coding and noncoding alteration and identify ten recurrently altered pathways, with associations between mutated genes and pathways, and stage or subtype of T-ALL. For example, NRAS/FLT3 mutations were associated with immature T-ALL, JAK3/STAT5B mutations in HOXA1 deregulated ALL, PTPN2 mutations in TLX1 deregulated T-ALL, and PIK3R1/PTEN mutations in TAL1 deregulated ALL, which suggests that different signaling pathways have distinct roles according to maturational stage. This genomic landscape provides a logical framework for the development of faithful genetic models and new therapeutic approaches.

High-throughput sequencing can detect minimal residual disease comparable to multiparametric flow cytometry in T-ALL patients.

Purpose Early intensification with methotrexate (MTX) is a key component of acute lymphoblastic leukemia (ALL) therapy. Two different approaches to MTX intensification exist but had not been compared in T-cell ALL (T-ALL): the Children’s Oncology Group (COG) escalating dose intravenous MTX without leucovorin rescue plus pegaspargase escalating dose, Capizzi-style, intravenous MTX (C-MTX) regimen and the Berlin-Frankfurt-Muenster (BFM) high-dose intravenous MTX (HDMTX) plus leucovorin rescue regimen. Patients and Methods COG AALL0434 included a 2 × 2 randomization that compared the COG-augmented BFM (ABFM) regimen with either C-MTX or HDMTX during the 8-week interim maintenance phase. All patients with T-ALL, except for those with low-risk features, received prophylactic (12 Gy) or therapeutic (18 Gy for CNS3) cranial irradiation during either the consolidation (C-MTX; second month of therapy) or delayed intensification (HDMTX; seventh month of therapy) phase. Results AALL0434 accrued 1,895 patients from 2007 to 2014. The 5-year event-free survival and overall survival rates for all eligible, evaluable patients with T-ALL were 83.8% (95% CI, 81.2% to 86.4%) and 89.5% (95% CI, 87.4% to 91.7%), respectively. The 1,031 patients with T-ALL but without CNS3 disease or testicular leukemia were randomly assigned to receive ABFM with C-MTX (n = 519) or HDMTX (n = 512). The estimated 5-year disease-free survival ( P = .005) and overall survival ( P = .04) rates were 91.5% (95% CI, 88.1% to 94.8%) and 93.7% (95% CI, 90.8% to 96.6%) for C-MTX and 85.3% (95% CI, 81.0%–89.5%) and 89.4% (95% CI, 85.7%–93.2%) for HDMTX. Patients assigned to C-MTX had 32 relapses, six with CNS involvement, whereas those assigned to HDMTX had 59 relapses, 23 with CNS involvement. Conclusion AALL0434 established that ABFM with C-MTX was superior to ABFM plus HDMTX for T-ALL in approximately 90% of patients who received CRT, with later timing for those receiving HDMTX.

Nelarabine is effective in inducing remission in patients with relapsed and refractory T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) but has not been fully evaluated in those with newly diagnosed disease.From 2007 to 2014, Children's Oncology Group trial AALL0434 (ClinicalTrials.gov identifier: NCT00408005) enrolled 1,562 evaluable patients with T-ALL age 1-31 years who received the augmented Berlin-Frankfurt-Muenster (ABFM) regimen with a 2 × 2 pseudo-factorial randomization to receive escalating-dose methotrexate (MTX) without leucovorin rescue plus pegaspargase (C-MTX) or high-dose MTX (HDMTX) with leucovorin rescue. Intermediate- and high-risk patients were also randomly assigned after induction to receive or not receive six 5-day courses of nelarabine that was incorporated into ABFM. Patients who experienced induction failure were nonrandomly assigned to HDMTX plus nelarabine. Patients with overt CNS disease (CNS3; ≥ 5 WBCs/μL with blasts) received HDMTX and were randomly assigned to receive or not receive nelarabine. All patients, except those with low-risk disease, received cranial irradiation.The 5-year event-free and overall survival rates were 83.7% ± 1.1% and 89.5% ± 0.9%, respectively. The 5-year disease-free survival (DFS) rates for patients with T-ALL randomly assigned to nelarabine (n = 323) and no nelarabine (n = 336) were 88.2% ± 2.4% and 82.1% ± 2.7%, respectively (P = .029). Differences between DFS in a four-arm comparison were significant (P = .01), with no interactions between the MTX and nelarabine randomizations (P = .41). Patients treated with the best-performing arm, C-MTX plus nelarabine, had a 5-year DFS of 91% (n = 147). Patients who received nelarabine had significantly fewer isolated and combined CNS relapses compared with patients who did not receive nelarabine (1.3% ± 0.63% v 6.9% ± 1.4%, respectively; P = .0001). Toxicities, including neurotoxicity, were acceptable and similar between all four arms.The addition of nelarabine to ABFM therapy improved DFS for children and young adults with newly diagnosed T-ALL without increased toxicity.

Refractoriness to initial chemotherapy and relapse after remission are the main obstacles to curing T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). While tumor heterogeneity has been implicated in treatment failure, the cellular and genetic factors contributing to resistance and relapse remain unknown. Here we linked tumor subpopulations with clinical outcome, created an atlas of healthy pediatric hematopoiesis and applied single-cell multiomic analysis to a diverse cohort of 40 T-ALL cases. We identified a bone marrow progenitor (BMP)-like leukemia subpopulation associated with treatment failure and poor overall survival. The single-cell-derived molecular signature of BMP-like blasts predicted poor outcome across multiple subtypes of T-ALL and revealed that NOTCH1 mutations additively drive T-ALL blasts away from the BMP-like state. Through in silico and in vitro drug screenings, we identified a therapeutic vulnerability of BMP-like blasts to apoptosis-inducing agents including venetoclax. Collectively, our study establishes multiomic signatures for rapid risk stratification and targeted treatment of high-risk T-ALL.