In patients with acute myeloid leukemia (AML) a combination of methods must be used to classify the disease, make therapeutic decisions, and determine the prognosis. However, this combined approach provides correct therapeutic and prognostic information in only 50 percent of cases.

We hypothesized that DNA methylation distributes into specific patterns in cancer cells, which reflect critical biological differences. We therefore examined the methylation profiles of 344 patients with acute myeloid leukemia (AML). Clustering of these patients by methylation data segregated patients into 16 groups. Five of these groups defined new AML subtypes that shared no other known feature. In addition, DNA methylation profiles segregated patients with CEBPA aberrations from other subtypes of leukemia, defined four epigenetically distinct forms of AML with NPM1 mutations, and showed that established AML1-ETO, CBFb-MYH11, and PML-RARA leukemia entities are associated with specific methylation profiles. We report a 15 gene methylation classifier predictive of overall survival in an independent patient cohort (p < 0.001, adjusted for known covariates).

Patients with acute myeloid leukemia (AML) often reach complete remission, but relapse rates remain high. Next-generation sequencing enables the detection of molecular minimal residual disease in virtually every patient, but its clinical value for the prediction of relapse has yet to be established.We conducted a study involving patients 18 to 65 years of age who had newly diagnosed AML. Targeted next-generation sequencing was carried out at diagnosis and after induction therapy (during complete remission). End points were 4-year rates of relapse, relapse-free survival, and overall survival.At least one mutation was detected in 430 out of 482 patients (89.2%). Mutations persisted in 51.4% of those patients during complete remission and were present at various allele frequencies (range, 0.02 to 47%). The detection of persistent DTA mutations (i.e., mutations in DNMT3A, TET2, and ASXL1), which are often present in persons with age-related clonal hematopoiesis, was not correlated with an increased relapse rate. After the exclusion of persistent DTA mutations, the detection of molecular minimal residual disease was associated with a significantly higher relapse rate than no detection (55.4% vs. 31.9%; hazard ratio, 2.14; P<0.001), as well as with lower rates of relapse-free survival (36.6% vs. 58.1%; hazard ratio for relapse or death, 1.92; P<0.001) and overall survival (41.9% vs. 66.1%; hazard ratio for death, 2.06; P<0.001). Multivariate analysis confirmed that the persistence of non-DTA mutations during complete remission conferred significant independent prognostic value with respect to the rates of relapse (hazard ratio, 1.89; P<0.001), relapse-free survival (hazard ratio for relapse or death, 1.64; P=0.001), and overall survival (hazard ratio for death, 1.64; P=0.003). A comparison of sequencing with flow cytometry for the detection of residual disease showed that sequencing had significant additive prognostic value.Among patients with AML, the detection of molecular minimal residual disease during complete remission had significant independent prognostic value with respect to relapse and survival rates, but the detection of persistent mutations that are associated with clonal hematopoiesis did not have such prognostic value within a 4-year time frame. (Funded by the Queen Wilhelmina Fund Foundation of the Dutch Cancer Society and others.).

Chromosomal rearrangements without gene fusions have been implicated in leukemogenesis by causing deregulation of proto-oncogenes via relocation of cryptic regulatory DNA elements. AML with inv(3)/t(3;3) is associated with aberrant expression of the stem-cell regulator EVI1. Applying functional genomics and genome-engineering, we demonstrate that both 3q rearrangements reposition a distal GATA2 enhancer to ectopically activate EVI1 and simultaneously confer GATA2 functional haploinsufficiency, previously identified as the cause of sporadic familial AML/MDS and MonoMac/Emberger syndromes. Genomic excision of the ectopic enhancer restored EVI1 silencing and led to growth inhibition and differentiation of AML cells, which could be replicated by pharmacologic BET inhibition. Our data show that structural rearrangements involving the chromosomal repositioning of a single enhancer can cause deregulation of two unrelated distal genes, with cancer as the outcome.

Mutations in nucleophosmin NPM1 are the most frequent acquired molecular abnormalities in acute myeloid leukemia (AML). We determined the NPM1 mutation status in a clinically and molecularly well-characterized patient cohort of 275 patients with newly diagnosed AML by denaturing high-performance liquid chromatography (dHPLC). We show that NPM1 mutations are significantly underrepresented in patients younger than 35 years. NPM1 mutations positively correlate with AML with high white blood cell counts, normal karyotypes, and fms-like tyrosine kinase-3 gene (FLT3) internal tandem duplication (ITD) mutations. NPM1 mutations associate inversely with the occurrence of CCAAT/enhancer-binding protein-alpha (CEBPA) and NRAS mutations. With respect to gene expression profiling, we show that AML cases with an NPM1 mutation cluster in specific subtypes of AML with previously established gene expression signatures, are highly associated with a homeobox gene-specific expression signature, and can be predicted with high accuracy. We demonstrate that patients with intermediate cytogenetic risk AML without FLT3 ITD mutations but with NPM1 mutations have a significantly better overall survival (OS) and event-free survival (EFS) than those without NPM1 mutations. Finally, in multivariable analysis NPM1 mutations express independent favorable prognostic value with regard to OS, EFS, and disease-free survival (DFS).

Abstract Mutations in CCAAT/enhancer binding protein α (CEBPA) are seen in 5% to 14% of acute myeloid leukemia (AML) and have been associated with a favorable clinical outcome. Most AMLs with CEBPA mutations simultaneously carry 2 mutations (CEBPAdouble-mut), usually biallelic, whereas single heterozygous mutations (CEBPAsingle-mut) are less frequently seen. Using denaturing high-performance liquid chromatography and nucleotide sequencing, we identified among a cohort of 598 newly diagnosed AMLs a subset of 41 CEBPA mutant cases (28 CEBPAdouble-mut and 13 CEBPAsingle-mut cases). CEBPAdouble-mut associated with a unique gene expression profile as well as favorable overall and event-free survival, retained in multivariable analysis that included cytogenetic risk, FLT3-ITD and NPM1 mutation, white blood cell count, and age. In contrast, CEBPAsingle-mut AMLs did not express a discriminating signature and could not be distinguished from wild-type cases as regards clinical outcome. These results demonstrate significant underlying heterogeneity within CEBPA mutation-positive AML with prognostic relevance.

Abstract We evaluated concurrent gene mutations, clinical outcome, and gene expression signatures of CCAAT/enhancer binding protein alpha (CEBPA) double mutations (CEBPAdm) versus single mutations (CEBPAsm) in 1182 cytogenetically normal acute myeloid leukemia (AML) patients (16-60 years of age). We identified 151 (12.8%) patients with CEBPA mutations (91 CEBPAdm and 60 CEBPAsm). The incidence of germline mutations was 7% (5 of 71), including 3 C-terminal mutations. CEBPAdm patients had a lower frequency of concurrent mutations than CEBPAsm patients (P < .0001). Both, groups were associated with a favorable outcome compared with CEBPAwt (5-year overall survival [OS] 63% and 56% vs 39%; P < .0001 and P = .05, respectively). However, in multivariable analysis only CEBPAdm was a prognostic factor for favorable OS outcome (hazard ratio [HR] 0.36, P < .0001; event-free survival, HR 0.41, P < .0001; relapse-free survival, HR 0.55, P = .001). Outcome in CEBPAsm is dominated by concurrent NPM1 and/or FLT3 internal tandem duplication mutations. Unsupervised and supervised GEP analyses showed that CEBPAdm AML (n = 42), but not CEBPAsm AML (n = 18), expressed a unique gene signature. A 25-probe set prediction signature for CEBPAdm AML showed 100% sensitivity and specificity. Based on these findings, we propose that CEBPAdm should be clearly defined from CEBPAsm AML and considered as a separate entity in the classification of AML.

We examined the gene expression profiles of two independent cohorts of patients with acute myeloid leukemia [n=247 and n=214 (younger than or equal to 60 years)] to study the applicability of gene expression profiling as a single assay in prediction of acute myeloid leukemia-specific molecular subtypes. The favorable cytogenetic acute myeloid leukemia subtypes, i.e., acute myeloid leukemia with t(8;21), t(15;17) or inv(16), were predicted with maximum accuracy (positive and negative predictive value: 100%). Mutations in NPM1 and CEBPA were predicted less accurately (positive predictive value: 66% and 100%, and negative predictive value: 99% and 97% respectively). Various other characteristic molecular acute myeloid leukemia subtypes, i.e., mutant FLT3 and RAS, abnormalities involving 11q23, -5/5q-, -7/7q-, abnormalities involving 3q (abn3q) and t(9;22), could not be correctly predicted using gene expression profiling. In conclusion, gene expression profiling allows accurate prediction of certain acute myeloid leukemia subtypes, e.g. those characterized by expression of chimeric transcription factors. However, detection of mutations affecting signaling molecules and numerical abnormalities still requires alternative molecular methods.

Abstract Leukemias with ambiguous lineage comprise several loosely defined entities, often without a clear mechanistic basis. Here, we extensively profile the epigenome and transcriptome of a subgroup of such leukemias with CpG Island Methylator Phenotype. These leukemias exhibit comparable hybrid myeloid/lymphoid epigenetic landscapes, yet heterogeneous genetic alterations, suggesting they are defined by their shared epigenetic profile rather than common genetic lesions. Gene expression enrichment reveals similarity with early T-cell precursor acute lymphoblastic leukemia and a lymphoid progenitor cell of origin. In line with this, integration of differential DNA methylation and gene expression shows widespread silencing of myeloid transcription factors. Moreover, binding sites for hematopoietic transcription factors, including CEBPA, SPI1 and LEF1, are uniquely inaccessible in these leukemias. Hypermethylation also results in loss of CTCF binding, accompanied by changes in chromatin interactions involving key transcription factors. In conclusion, epigenetic dysregulation, and not genetic lesions, explains the mixed phenotype of this group of leukemias with ambiguous lineage. The data collected here constitute a useful and comprehensive epigenomic reference for subsequent studies of acute myeloid leukemias, T-cell acute lymphoblastic leukemias and mixed-phenotype leukemias.

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.