In an RNAi screen targeting chromatin regulators, Vakoc and colleagues find that maintenance of acute myeloid leukaemia (AML) requires Brd4, which binds to acetylated histones to influence gene transcription. Brd4 regulates expression of the oncogene Myc and a Myc-driven gene-expression program that permits leukaemia cells to self-renew. JQ1, a small molecule that inhibits Brd4 function, has anti-leukaemic effects in a mouse model and inhibits the proliferation of primary human AML cells, suggesting a therapeutic approach in patients with AML. Epigenetic pathways can regulate gene expression by controlling and interpreting chromatin modifications. Cancer cells are characterized by altered epigenetic landscapes, and commonly exploit the chromatin regulatory machinery to enforce oncogenic gene expression programs1. Although chromatin alterations are, in principle, reversible and often amenable to drug intervention, the promise of targeting such pathways therapeutically has been limited by an incomplete understanding of cancer-specific dependencies on epigenetic regulators. Here we describe a non-biased approach to probe epigenetic vulnerabilities in acute myeloid leukaemia (AML), an aggressive haematopoietic malignancy that is often associated with aberrant chromatin states2. By screening a custom library of small hairpin RNAs (shRNAs) targeting known chromatin regulators in a genetically defined AML mouse model, we identify the protein bromodomain-containing 4 (Brd4) as being critically required for disease maintenance. Suppression of Brd4 using shRNAs or the small-molecule inhibitor JQ1 led to robust antileukaemic effects in vitro and in vivo, accompanied by terminal myeloid differentiation and elimination of leukaemia stem cells. Similar sensitivities were observed in a variety of human AML cell lines and primary patient samples, revealing that JQ1 has broad activity in diverse AML subtypes. The effects of Brd4 suppression are, at least in part, due to its role in sustaining Myc expression to promote aberrant self-renewal, which implicates JQ1 as a pharmacological means to suppress MYC in cancer. Our results establish small-molecule inhibition of Brd4 as a promising therapeutic strategy in AML and, potentially, other cancers, and highlight the utility of RNA interference (RNAi) screening for revealing epigenetic vulnerabilities that can be exploited for direct pharmacological intervention.

Cancer drug targets are identified by CRISPR-based screens that knock out functional protein domains. CRISPR-Cas9 genome editing technology holds great promise for discovering therapeutic targets in cancer and other diseases. Current screening strategies target CRISPR-Cas9–induced mutations to the 5′ exons of candidate genes1,2,3,4,5, but this approach often produces in-frame variants that retain functionality, which can obscure even strong genetic dependencies. Here we overcome this limitation by targeting CRISPR-Cas9 mutagenesis to exons encoding functional protein domains. This generates a higher proportion of null mutations and substantially increases the potency of negative selection. We also show that the magnitude of negative selection can be used to infer the functional importance of individual protein domains of interest. A screen of 192 chromatin regulatory domains in murine acute myeloid leukemia cells identifies six known drug targets and 19 additional dependencies. A broader application of this approach may allow comprehensive identification of protein domains that sustain cancer cells and are suitable for drug targeting.

Cancer cells frequently depend on chromatin regulatory activities to maintain a malignant phenotype. Here, we show that leukemia cells require the mammalian SWI/SNF chromatin remodeling complex for their survival and aberrant self-renewal potential. While Brg1, an ATPase subunit of SWI/SNF, is known to suppress tumor formation in several cell types, we found that leukemia cells instead rely on Brg1 to support their oncogenic transcriptional program, which includes Myc as one of its key targets. To account for this context-specific function, we identify a cluster of lineage-specific enhancers located 1.7 Mb downstream from Myc that are occupied by SWI/SNF as well as the BET protein Brd4. Brg1 is required at these distal elements to maintain transcription factor occupancy and for long-range chromatin looping interactions with the Myc promoter. Notably, these distal Myc enhancers coincide with a region that is focally amplified in ∼3% of acute myeloid leukemias. Together, these findings define a leukemia maintenance function for SWI/SNF that is linked to enhancer-mediated gene regulation, providing general insights into how cancer cells exploit transcriptional coactivators to maintain oncogenic gene expression programs.

To determine the effects of gestational age and maternal weight on percent fetal cell-free DNA (cfDNA) in maternal plasma and the change in fetal cfDNA amounts within the same patient over time.The cfDNA was extracted from maternal plasma from 22 384 singleton pregnancies of at least 10 weeks gestation undergoing the Harmony(TM) Prenatal Test. The Harmony Prenatal Test determined fetal percentage via directed analysis of cfDNA.At 10 weeks 0 days to 10 weeks 6 days gestation, the median percent fetal cfDNA was 10.2%. Between 10 and 21 weeks gestation, percent fetal increased 0.1% per week (p < 0.0001), and 2% of pregnancies were below 4% fetal cfDNA. Beyond 21 weeks gestation, fetal cfDNA increased 1% per week (p < 0.0001). Fetal cfDNA percentage was proportional to gestational age and inversely proportional to maternal weight (p = 0.0016). Of 135 samples that were redrawn because of insufficient fetal cfDNA of the initial sample, 76 (56%) had greater than 4% fetal cfDNA in the sample from the second draw.Fetal cfDNA increases with gestation, decreases with increasing maternal weight, and generally improves upon a blood redraw when the first attempt has insufficient fetal cfDNA.

Although human cancers have complex genotypes and are genomically unstable, they often remain dependent on the continued presence of single-driver mutations—a phenomenon dubbed “oncogene addiction.” Such dependencies have been demonstrated in mouse models, where conditional expression systems have revealed that oncogenes able to initiate cancer are often required for tumor maintenance and progression, thus validating the pathways they control as therapeutic targets. Here, we implement an integrative approach that combines genetically defined mouse models, transcriptional profiling, and a novel inducible RNAi platform to characterize cellular programs that underlie addiction to MLL-AF9—a fusion oncoprotein involved in aggressive forms of acute myeloid leukemia (AML). We show that MLL-AF9 contributes to leukemia maintenance by enforcing a Myb-coordinated program of aberrant self-renewal involving genes linked to leukemia stem cell potential and poor prognosis in human AML. Accordingly, partial and transient Myb suppression precisely phenocopies MLL-AF9 withdrawal and eradicates aggressive AML in vivo without preventing normal myelopoiesis, indicating that strategies to inhibit Myb-dependent aberrant self-renewal programs hold promise as effective and cancer-specific therapeutics. Together, our results identify Myb as a critical mediator of oncogene addiction in AML, delineate relevant Myb target genes that are amenable to pharmacologic inhibition, and establish a general approach for dissecting oncogene addiction in vivo.

The BCL2 family plays important roles in acute myeloid leukemia (AML). Venetoclax, a selective BCL2 inhibitor, has received FDA approval for the treatment of AML. However, drug resistance ensues after prolonged treatment, highlighting the need for a greater understanding of the underlying mechanisms. Using a genome-wide CRISPR/Cas9 screen in human AML, we identified genes whose inactivation sensitizes AML blasts to venetoclax. Genes involved in mitochondrial organization and function were significantly depleted throughout our screen, including the mitochondrial chaperonin CLPB. We demonstrated that CLPB is upregulated in human AML, it is further induced upon acquisition of venetoclax resistance, and its ablation sensitizes AML to venetoclax. Mechanistically, CLPB maintains the mitochondrial cristae structure via its interaction with the cristae-shaping protein OPA1, whereas its loss promotes apoptosis by inducing cristae remodeling and mitochondrial stress responses. Overall, our data suggest that targeting mitochondrial architecture may provide a promising approach to circumvent venetoclax resistance. SIGNIFICANCE: A genome-wide CRISPR/Cas9 screen reveals genes involved in mitochondrial biological processes participate in the acquisition of venetoclax resistance. Loss of the mitochondrial protein CLPB leads to structural and functional defects of mitochondria, hence sensitizing AML cells to apoptosis. Targeting CLPB synergizes with venetoclax and the venetoclax/azacitidine combination in AML in a p53-independent manner.See related commentary by Savona and Rathmell, p. 831.This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 813.

Abstract The mammalian genome is spatially organized in the nucleus to enable cell type-specific gene expression. Investigating how chromatin organization determines this specificity remains a challenge. Methods for measuring the 3D chromatin organization, such as Hi-C, are costly and bear strong technical limitations, restricting their broad application particularly in high-throughput genetic perturbations. In this study, we present C.Origami, a deep neural network model that performs de novo prediction of cell type-specific chromatin organization. The C.Origami model enables in silico experiments to examine the impact of genetic perturbations on chromatin interactions in cancer genomes and beyond. In addition, we propose an in silico genetic screening framework that enables high-throughput identification of impactful genomic regions on 3D chromatin organization. We demonstrate that cell type-specific in silico genetic perturbation and screening, enabled by C.Origami, can be used to systematically discover novel chromatin regulatory mechanisms in both normal and disease-related biological systems.