Ontogenic Changes in Hematopoietic Hierarchy Determine Pediatric Specificity and Disease Phenotype in Fusion Oncogene-Driven Myeloid Leukemia.

Fusion oncogenes are prevalent in several pediatric cancers, yet little is known about the specific associations between age and phenotype. We observed that fusion oncogenes, such as ETO2-GLIS2, are associated with acute megakaryoblastic or other myeloid leukemia subtypes in an age-dependent manner. Analysis of a novel inducible transgenic mouse model showed that ETO2-GLIS2 expression in fetal hematopoietic stem cells induced rapid megakaryoblastic leukemia whereas expression in adult bone marrow hematopoietic stem cells resulted in a shift toward myeloid transformation with a strikingly delayed in vivo leukemogenic potential. Chromatin accessibility and single-cell transcriptome analyses indicate ontogeny-dependent intrinsic and ETO2-GLIS2-induced differences in the activities of key transcription factors, including ERG, SPI1, GATA1, and CEBPA. Importantly, switching off the fusion oncogene restored terminal differentiation of the leukemic blasts. Together, these data show that aggressiveness and phenotypes in pediatric acute myeloid leukemia result from an ontogeny-related differential susceptibility to transformation by fusion oncogenes. SIGNIFICANCE: This work demonstrates that the clinical phenotype of pediatric acute myeloid leukemia is determined by ontogeny-dependent susceptibility for transformation by oncogenic fusion genes. The phenotype is maintained by potentially reversible alteration of key transcription factors, indicating that targeting of the fusions may overcome the differentiation blockage and revert the leukemic state.See related commentary by Cruz Hernandez and Vyas, p. 1653.This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1631

Développement et caractérisation d'un modèle humain de leucémie pédiatrique ETO2-GLIS2 à partir de cellules souches pluripotentes induites

Acute leukemia is the leading cause of death in children. Leukemia are liquid cancers occurring in blood cells that acquire genetic mutations. Acute megacaryoblastic leukemia are diagnosed mainly in very young children and associated with a poor prognosis. These type of leukemias are frequently caused by chromosomal abnormalities that induce the fusion of two genes. ETO2-GLIS2 (EG) is one of these fusions that is associated with a form of leukemia with a particularly poor prognosis. The very young age of the patients led us to hypothesize that leukemia occurs during fetal development. Study of human fetal development is hampered by several difficulties which as led to the use of mouse models that does not fully recapitulate human development. Human pluripotent stem cells can be cultured in order to reproduce development toward all cell types of the organism. Moreover, recent technological advances allow to precisely recreate the genetic abnormalities found in leukemias as well as to characterize their consequences by molecular and bioinformatics analyzes at the single-cell level. My thesis project consists in developing a model that would allow us to study the EG fusion in human cells. For this, I used pluripotent stem cells that can be cultured in vitro and give rise to different cell types of the body. I have modified these cells to precisely replicate the fusion found in patients. These cells are then differentiated into blood cells to study the impact of the fusion. EG cells exhibit several characteristics of leukemic cells, including their morphology and ability to proliferate. Futhermore, These cells are also able to induce the development in mice of leukemia resembling those in patients. Finally, the analysis of high-throughput sequencing data allow to characterize the way ETO2-GLIS2 modifies the expression of other genes and the chromatin organisation. These data validate the model which allow the characterization of functional mechanisms of the fusion, and ultimately, test new therapeutic approachesLes leucémies aiguës représentent la première cause de mortalité par cancer chez les enfants. Il s'agit de cancers liquides survenant dans des cellules du sang qui ont acquis des mutations génétiques. Nos travaux portent sur les leucémies aiguës mégacaryoblastiques, diagnostiqués principalement chez les jeunes enfants et associés à un mauvais pronostic. Ces leucémies sont fréquemment causées par des anomalies chromosomiques qui induisent la fusion de deux gènes. ETO2-GLIS2 (EG) est l'une de ces fusions qui est associée à une forme de leucémie de pronostic particulièrement défavorable. Le très jeune âge des patients nous a conduit à émettre l'hypothèse que la leucémie survient durant le développement foetal. L'étude du développement foetal humain présente plusieurs difficultés qui ont conduit jusqu'ici à recourir à des modèles de souris qui ne récapitulent pas complètement le développement humain. Les cellules souches pluripotentes induites humaines peuvent être cultivées pour reproduire le développement vers tous les types cellulaires de l'organisme. De plus, les récentes avancées technologiques permettent d'une part, de recréer précisément les anomalies génétiques retrouvées dans les leucémies et d'autre part de caractériser leurs conséquences par des analyses moléculaires et bio-informatiques à l'échelle de chaque cellule. Mon projet de thèse consiste à développer un modèle qui permettrait d'étudier la fusion EG dans des cellules humaines. Pour cela, j'ai utilisé des cellules souches pluripotentes humaines qui peuvent être cultivées in vitro et donner différents types de cellules de l'organisme. J'ai modifié ces cellules pour reproduire précisément la fusion retrouvée chez les patients. Ces cellules sont ensuite différenciées en cellules sanguines pour étudier l'impact de EG. Les cellules EG présentent ainsi plusieurs propriétés de cellules leucémiques incluant leur morphologie et leur capacité à proliférer. Ces cellules sont également capables d'induire le développement chez la souris de leucémies similaires à celles des patients. Enfin, l'analyse de données issues des techniques de séquençage à haut débit permet de caractériser la manière dont EG modifie l'expression des gènes et l'organisation de la chromatine. Ces données montrent la validité de ce modèle qui peut permettre de caractériser les mécanismes d'action de cette fusion et, à terme, de tester de nouvelles approches thérapeutiques

The Pediatric Acute Leukemia Fusion Oncogene ETO2-GLIS2 Increases Self-Renewal and Alters Differentiation in a Human Induced Pluripotent Stem Cells-Derived Model

Supplemental Digital Content is available in the text

High caspase 3 and vulnerability to dual BCL2 family inhibition define ETO2::GLIS2 pediatric leukemia

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