Elucidating gene regulatory networks is crucial for understanding normal cell physiology and complex pathologic phenotypes. Existing computational methods for the genome-wide "reverse engineering" of such networks have been successful only for lower eukaryotes with simple genomes. Here we present ARACNE, a novel algorithm, using microarray expression profiles, specifically designed to scale up to the complexity of regulatory networks in mammalian cells, yet general enough to address a wider range of network deconvolution problems. This method uses an information theoretic approach to eliminate the majority of indirect interactions inferred by co-expression methods. We prove that ARACNE reconstructs the network exactly (asymptotically) if the effect of loops in the network topology is negligible, and we show that the algorithm works well in practice, even in the presence of numerous loops and complex topologies. We assess ARACNE's ability to reconstruct transcriptional regulatory networks using both a realistic synthetic dataset and a microarray dataset from human B cells. On synthetic datasets ARACNE achieves very low error rates and outperforms established methods, such as Relevance Networks and Bayesian Networks. Application to the deconvolution of genetic networks in human B cells demonstrates ARACNE's ability to infer validated transcriptional targets of the cMYC proto-oncogene. We also study the effects of misestimation of mutual information on network reconstruction, and show that algorithms based on mutual information ranking are more resilient to estimation errors. ARACNE shows promise in identifying direct transcriptional interactions in mammalian cellular networks, a problem that has challenged existing reverse engineering algorithms. This approach should enhance our ability to use microarray data to elucidate functional mechanisms that underlie cellular processes and to identify molecular targets of pharmacological compounds in mammalian cellular networks.

Sequencing studies from several model systems have suggested that diverse and abundant small RNAs may be derived from tRNA, but the function of these molecules remains undefined. Here, we demonstrate that one such tRNA-derived fragment, cloned from human mature B cells and designated CU1276, in fact possesses the functional characteristics of a microRNA, including a DICER1-dependent biogenesis, physical association with Argonaute proteins, and the ability to repress mRNA transcripts in a sequence-specific manner. Expression of CU1276 is abundant in normal germinal center B cells but absent in germinal center-derived lymphomas, suggesting a role in the pathogenesis of this disease. Furthermore, CU1276 represses endogenous RPA1, an essential gene involved in many aspects of DNA dynamics, and consequently, expression of this tRNA-derived microRNA in a lymphoma cell line suppresses proliferation and modulates the molecular response to DNA damage. These results establish that functionally active microRNAs can be derived from tRNA, thus defining a class of genetic entities with potentially important biological roles.

Mutations in the gene encoding the KMT2D (or MLL2) methyltransferase are highly recurrent and occur early during tumorigenesis in diffuse large B cell lymphoma (DLBCL) and follicular lymphoma (FL). However, the functional consequences of these mutations and their role in lymphomagenesis are unknown. Here we show that FL- and DLBCL-associated KMT2D mutations impair KMT2D enzymatic activity, leading to diminished global H3K4 methylation in germinal-center (GC) B cells and DLBCL cells. Conditional deletion of Kmt2d early during B cell development, but not after initiation of the GC reaction, results in an increase in GC B cells and enhances B cell proliferation in mice. Moreover, genetic ablation of Kmt2d in mice overexpressing Bcl2 increases the incidence of GC-derived lymphomas resembling human tumors. These findings suggest that KMT2D acts as a tumor suppressor gene whose early loss facilitates lymphomagenesis by remodeling the epigenetic landscape of the cancer precursor cells. Eradication of KMT2D-deficient cells may thus represent a rational therapeutic approach for targeting early tumorigenic events.

Assembly of a transcriptional and post‐translational molecular interaction network in B cells, the human B‐cell interactome (HBCI), reveals a hierarchical, transcriptional control module, where MYB and FOXM1 act as synergistic master regulators of proliferation in the germinal center (GC). Eighty percent of genes jointly regulated by these transcription factors are activated in the GC, including those encoding proteins in a complex regulating DNA pre‐replication, replication, and mitosis. These results indicate that the HBCI analysis can be used for the identification of determinants of major human cell phenotypes and provides a paradigm of general applicability to normal and pathologic tissues.

Summary

 The BCL6 proto-oncogene encodes a transcriptional repressor necessary for the development of germinal centers (GCs) and directly implicated in lymphomagenesis. Post-GC development of B cells requires BCL6 downregulation, while its constitutive expression caused by chromosomal translocations leads to diffuse large B cell lymphoma (DLBCL). Herein we identify a signaling pathway that downregulates BCL6 expression in normal GC B cells and is blocked in a subset of DLBCL due to alterations in the BCL6 gene. Activation of the CD40 receptor leads to NF-κB-mediated induction of the IRF4 transcription factor, which, in turn, represses BCL6 expression by binding to its promoter region. A subset of DLBCL displays chromosomal translocations or mutations that disrupt the IRF4-responsive region in the BCL6 promoter and block its downregulation by CD40 signaling.

Peripheral T cell lymphoma, unspecified (PTCL/U), the most common form of PTCL, displays heterogeneous morphology and phenotype, poor response to treatment, and poor prognosis. We demonstrate that PTCL/U shows a gene expression profile clearly distinct from that of normal T cells. Comparison with the profiles of purified T cell subpopulations (CD4+, CD8+, resting [HLA-DR–], and activated [HLA-DR+]) reveals that PTCLs/U are most closely related to activated peripheral T lymphocytes, either CD4+ or CD8+. Interestingly, the global gene expression profile cannot be surrogated by routine CD4/CD8 immunohistochemistry. When compared with normal T cells, PTCLs/U display deregulation of functional programs often involved in tumorigenesis (e.g., apoptosis, proliferation, cell adhesion, and matrix remodeling). Products of deregulated genes can be detected in PTCLs/U by immunohistochemistry with an ectopic, paraphysiologic, or stromal location. PTCLs/U aberrantly express, among others, PDGFRα, a tyrosine-kinase receptor, whose deregulation is often related to a malignant phenotype. Notably, both phosphorylation of PDGFRα and sensitivity of cultured PTCL cells to imatinib (as well as to an inhibitor of histone deacetylase) were found. These results, which might be extended to other more rare PTCL categories, provide insight into tumor pathogenesis and clinical management of PTCL/U.

Inactivating mutations of the CREBBP acetyltransferase are highly frequent in diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) and follicular lymphoma (FL), the two most common germinal center (GC)-derived cancers. However, the role of CREBBP inactivation in lymphomagenesis remains unclear. Here, we show that CREBBP regulates enhancer/super-enhancer networks with central roles in GC/post-GC cell fate decisions, including genes involved in signal transduction by the B-cell receptor and CD40 receptor, transcriptional control of GC and plasma cell development, and antigen presentation. Consistently, Crebbp-deficient B cells exhibit enhanced response to mitogenic stimuli and perturbed plasma cell differentiation. Although GC-specific loss of Crebbp was insufficient to initiate malignant transformation, compound Crebbp-haploinsufficient/BCL2-transgenic mice, mimicking the genetics of FL and DLBCL, develop clonal lymphomas recapitulating the features of the human diseases. These findings establish CREBBP as a haploinsufficient tumor-suppressor gene in GC B cells and provide insights into the mechanisms by which its loss contributes to lymphomagenesis.Significance: Loss-of-function mutations of CREBBP are common and early lesions in FL and DLBCL, suggesting a prominent role in lymphoma initiation. Our studies identify the cellular program by which reduced CREBBP dosage facilitates malignant transformation, and have direct implications for targeted lymphoma therapy based on drugs affecting CREBBP-mediated chromatin acetylation. Cancer Discov; 7(3); 322-37. ©2017 AACR.This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 235.