The Interlaboratory Robustness Of Next-Generation Sequencing (IRON) Study Phase II: Deep-Sequencing Analyses Of Hematological Malignancies Performed In 8,867 Cases By An International Network Involving 27 Laboratories

Introduction: Amplicon deep-sequencing using second-generation sequencing technology is an innovative molecular diagnostic technique and enables a highly-sensitive detection of mutations. As an international consortium we had investigated previously the robustness, precision, and reproducibility of 454 amplicon next-generation sequencing (NGS) across 10 laboratories from 8 countries (Leukemia, 2011;25:1840-8).

Aims: In Phase II of the study, we established distinct working groups for various hematological malignancies, i.e. acute myeloid leukemia (AML), acute lymphoblastic leukemia (ALL), chronic lymphocytic leukemia (CLL), chronic myelogenous leukemia (CML), myelodysplastic syndromes (MDS), myeloproliferative neoplasms (MPN), and multiple myeloma. Currently, 27 laboratories from 13 countries are part of this research consortium. In total, 74 gene targets were selected by the working groups and amplicons were developed for a NGS deep-sequencing assay (454 Life Sciences, Branford, CT). A data analysis pipeline was developed to standardize mutation interpretation both for accessing raw data (Roche Amplicon Variant Analyzer, 454 Life Sciences) and variant interpretation (Sequence Pilot, JSI Medical Systems, Kippenheim, Germany).

Results: We will report on the design, standardization, quality control aspects, landscape of mutations, as well as the prognostic and predictive utility of this assay in a cohort of 8,867 cases. Overall, 1,146 primer sequences were designed and tested. In detail, for example in AML, 924 cases had been screened for CEBPA mutations. RUNX1 mutations were analyzed in 1,888 cases applying the deep-sequencing read counts to study the stability of such mutations at relapse and their utility as a biomarker to detect residual disease. Analyses of DNMT3A (n=1,041) were focused to perform landscape investigations and to address the prognostic relevance. Additionally, this working group is focusing on TET2, ASXL1, and TP53 analyses. A novel prognostic model is being developed allowing stratification of AML into prognostic subgroups based on molecular markers only. In ALL, 1,124 pediatric and adult cases have been screened, including 763 assays for TP53 mutations both at diagnosis and relapse of ALL. Pediatric and adult leukemia expert labs developed additional content to study the mutation incidence of other B and T lineage markers such as IKZF1, JAK2, IL7R, PAX5, EP300, LEF1, CRLF2, PHF6, WT1, JAK1, PTEN, AKT1, IL7R, NOTCH1, CREBBP, or FBXW7. Further, the molecular landscape of CLL is changing rapidly. As such, a separate working group focused on analyses including NOTCH1, SF3B1, MYD88, XPO1, FBXW7 and BIRC3. Currently, 922 cases were screened to investigate the range of mutational burden of NOTCH1 mutations for their prognostic relevance. In MDS, RUNX1 mutation analyses were performed in 977 cases. The prognostic relevance of TP53 mutations in MDS was assessed in additional 327 cases, including isolated deletions of chromosome 5q. Next, content was developed targeting genes of the cellular splicing component, e.g. SF3B1, SRSF2, U2AF1, and ZRSR2. In BCR-ABL1-negative MPN, nine genes of interest (JAK2, MPL, TET2, CBL, KRAS, EZH2, IDH1, IDH2, ASXL1) have been analyzed in a cohort of 155 primary myelofibrosis cases searching for novel somatic mutations and addressing their relevance for disease progression and leukemia transformation. Moreover, an assay was developed and applied to CMML cases allowing the simultaneous analysis of 25 leukemia-associated target genes in a single sequencing run using just 20 ng of starting DNA. Finally, nine laboratories are studying CML, applying ultra-deep sequencing of the BCR-ABL1 tyrosine kinase domain. Analyses were performed on 615 cases investigating the dynamics of expansion of mutated clones under various tyrosine kinase inhibitor therapies.

Conclusion: Molecular characterization of hematological malignancies today requires high diagnostic sensitivity and specificity. As part of the IRON-II study, a network of laboratories analyzed a variety of disease entities applying amplicon-based NGS assays. Importantly, the consortium not only standardized assay design for disease-specific panels, but also achieved consensus on a common data analysis pipeline for mutation interpretation. Distinct working groups have been forged to address scientific tasks and in total 8,867 cases had been analyzed thus far.

Molecular similarity between myelodysplastic form of chronic myelomonocytic leukemia and refractory anemia with ring sideroblasts

Chronic myelomonocytic leukemia is similar to but a separate entity from both myeloproliferative neoplasms and myelodysplastic syndromes, and shows either myeloproliferative or myelodysplastic features. We ask whether this distinction may have a molecular basis. We established the gene expression profiles of 39 samples of chronic myelomonocytic leukemia (including 12 CD34-positive) and 32 CD34-positive samples of myelodysplastic syndromes by using Affymetrix microarrays, and studied the status of 18 genes by Sanger sequencing and array-comparative genomic hybridization in 53 samples. Analysis of 12 mRNAS from chronic myelomonocytic leukemia established a gene expression signature of 122 probe sets differentially expressed between proliferative and dysplastic cases of chronic myelomonocytic leukemia. As compared to proliferative cases, dysplastic cases over-expressed genes involved in red blood cell biology. When applied to 32 myelodysplastic syndromes, this gene expression signature was able to discriminate refractory anemias with ring sideroblasts from refractory anemias with excess of blasts. By comparing mRNAS from these two forms of myelodysplastic syndromes we derived a second gene expression signature. This signature separated the myelodysplastic and myeloproliferative forms of chronic myelomonocytic leukemias. These results were validated using two independent gene expression data sets. We found that myelodysplastic chronic myelomonocytic leukemias are characterized by mutations in transcription/epigenetic regulators (ASXL1, RUNX1, TET2) and splicing genes (SRSF2) and the absence of mutations in signaling genes. Myelodysplastic chronic myelomonocytic leukemias and refractory anemias with ring sideroblasts share a common expression program suggesting they are part of a continuum, which is not totally explained by their similar but not, however, identical mutation spectrum. © 2013 Ferrata Storti Foundation.

Disruption of SF3B1 results in deregulated expression and splicing of key genes and pathways in myelodysplastic syndrome hematopoietic stem and progenitor cells

The splicing factor SF3B1 is the most commonly mutated gene in the myelodysplastic syndrome (MDS), particularly in patients with refractory anemia with ring sideroblasts (RARS). We investigated the functional effects of SF3B1 disruption in myeloid cell lines: SF3B1 knockdown resulted in growth inhibition, cell cycle arrest and impaired erythroid differentiation and deregulation of many genes and pathways, including cell cycle regulation and RNA processing. MDS is a disorder of the hematopoietic stem cell and we thus studied the transcriptome of CD34 + cells from MDS patients with SF3B1 mutations using RNA sequencing. Genes significantly differentially expressed at the transcript andor exon level in SF3B1 mutant compared with wild-type cases include genes that are involved in MDS pathogenesis (ASXL1 and CBL), iron homeostasis and mitochondrial metabolism (ALAS2, ABCB7 and SLC25A37) and RNA splicingprocessing (PRPF8 and HNRNPD). Many genes regulated by a DNA damage-induced BRCA1-BCLAF1-SF3B1 protein complex showed differential expressionsplicing in SF3B1 mutant cases. This is the first study to determine the target genes of SF3B1 mutation in MDS CD34 + cells. Our data indicate that SF3B1 has a critical role in MDS by affecting the expression and splicing of genes involved in specific cellular processespathways, many of which are relevant to the known RARS pathophysiology, suggesting a causal link.

Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN. L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse. Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer.

Alterações genéticas com interesse prognóstico nas doenças mieloproliferativas crónicas bcr-abl negativas

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN. L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse. Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer.

Étude fonctionnelle d’un nouveau complexe multi-enzymatique régulant l’épigénome

L’ubiquitination, une modification post-traductionnelle importante pour le contrôle de nombreux processus cellulaires, est une réaction réversible. La réaction inverse, nommée déubiquitination est catalysée par les déubiquitinases (DUB). Nous nous sommes intéressés dans nos travaux à étudier l’ubiquitination de l’histone H2A (H2Aub), au niveau des résidus lysines 118 et 119 (K118/K119), une marque épigénétique impliquée dans la régulation de la prolifération cellulaire et la réparation de l’ADN. Le régulateur transcriptionnel BAP1, une déubiquitinase nucléaire, a été initialement identifié pour sa capacité à promouvoir la fonction suppressive de tumeurs de BRCA1. BAP1 forme un complexe multi-protéique avec plusieurs facteurs transcriptionnels et sa fonction principale est la déubiquitination de H2Aub. Plusieurs études ont démontré que BAP1 est un gène suppresseur de tumeurs majeur et qu’il est largement muté et inactivé dans une multitude de cancers. En effet, BAP1 émerge comme étant la DUB la plus mutée au niveau des cancers. Cependant, le ou les mécanismes d’action et de régulation du complexe BAP1 restent très peu connus. Dans cette étude nous nous sommes intéressés à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle des partenaires protéiques de BAP1. De manière significative nous avons caractérisé un mécanisme unique de régulation entre deux composants majeurs du complexe BAP1 à savoir, HCF-1 et OGT. En effet, nous avons démontré que HCF-1 est requis pour maintenir le niveau protéique de OGT et que cette dernière est indispensable pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant son clivage par O-GlcNAcylation, une signalisation cellulaire nécessaire au bon fonctionnement de HCF-1. Également, nous avons découvert un nouveau mécanisme de régulation de BAP1 par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. En effet, UBE2O agit comme un régulateur négatif de BAP1 puisque l’ubiquitination de ce dernier induit sa séquestration dans le cytoplasme et l’inhibition de sa fonction suppressive de tumeurs. D’autre part nous nous sommes penchés sur la caractérisation de l’association de BAP1 avec deux facteurs de la famille des protéines Polycombes nommés ASXL1 et ASXL2 (ASXL1/2). Nous avons investigué le rôle de BAP1/ASXL1/2, particulièrement dans les mécanismes de déubiquitination et suppression de tumeurs. Nous avons démontré que BAP1 interagit directement iii via son domaine C-terminale avec le même domaine ASXM de ASXL1/2 formant ainsi deux complexes mutuellement exclusifs indispensables pour induire l’activité déubiquitinase de BAP1. De manière significative, ASXM s’associe avec BAP1 pour créer un nouveau domaine composite de liaison à l’ubiquitine. Ces interactions BAP1/ASXL1/2 régulent la progression harmonieuse du cycle cellulaire. De plus, la surexpression de BAP1 et de ASXL2 au niveau des fibroblastes induit la sénescence de manière dépendante de leurs interactions. D’autre part, nous avons identifié des mutations de cancers au niveau de BAP1 le rendant incapable de lier ASXL1/2, d’exercer sa fonction d’autodéubiquitination et de ce fait d’agir comme suppresseur de tumeurs. Ainsi nous avons révélé un lien étroit entre le gène suppresseur de tumeurs BAP1, son activité déubiquitinase et le contrôle de la prolifération cellulaire.

Étude fonctionnelle d’un nouveau complexe multi-enzymatique régulant l’épigénome

L’ubiquitination, une modification post-traductionnelle importante pour le contrôle de nombreux processus cellulaires, est une réaction réversible. La réaction inverse, nommée déubiquitination est catalysée par les déubiquitinases (DUB). Nous nous sommes intéressés dans nos travaux à étudier l’ubiquitination de l’histone H2A (H2Aub), au niveau des résidus lysines 118 et 119 (K118/K119), une marque épigénétique impliquée dans la régulation de la prolifération cellulaire et la réparation de l’ADN. Le régulateur transcriptionnel BAP1, une déubiquitinase nucléaire, a été initialement identifié pour sa capacité à promouvoir la fonction suppressive de tumeurs de BRCA1. BAP1 forme un complexe multi-protéique avec plusieurs facteurs transcriptionnels et sa fonction principale est la déubiquitination de H2Aub. Plusieurs études ont démontré que BAP1 est un gène suppresseur de tumeurs majeur et qu’il est largement muté et inactivé dans une multitude de cancers. En effet, BAP1 émerge comme étant la DUB la plus mutée au niveau des cancers. Cependant, le ou les mécanismes d’action et de régulation du complexe BAP1 restent très peu connus. Dans cette étude nous nous sommes intéressés à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle des partenaires protéiques de BAP1. De manière significative nous avons caractérisé un mécanisme unique de régulation entre deux composants majeurs du complexe BAP1 à savoir, HCF-1 et OGT. En effet, nous avons démontré que HCF-1 est requis pour maintenir le niveau protéique de OGT et que cette dernière est indispensable pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant son clivage par O-GlcNAcylation, une signalisation cellulaire nécessaire au bon fonctionnement de HCF-1. Également, nous avons découvert un nouveau mécanisme de régulation de BAP1 par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. En effet, UBE2O agit comme un régulateur négatif de BAP1 puisque l’ubiquitination de ce dernier induit sa séquestration dans le cytoplasme et l’inhibition de sa fonction suppressive de tumeurs. D’autre part nous nous sommes penchés sur la caractérisation de l’association de BAP1 avec deux facteurs de la famille des protéines Polycombes nommés ASXL1 et ASXL2 (ASXL1/2). Nous avons investigué le rôle de BAP1/ASXL1/2, particulièrement dans les mécanismes de déubiquitination et suppression de tumeurs. Nous avons démontré que BAP1 interagit directement iii via son domaine C-terminale avec le même domaine ASXM de ASXL1/2 formant ainsi deux complexes mutuellement exclusifs indispensables pour induire l’activité déubiquitinase de BAP1. De manière significative, ASXM s’associe avec BAP1 pour créer un nouveau domaine composite de liaison à l’ubiquitine. Ces interactions BAP1/ASXL1/2 régulent la progression harmonieuse du cycle cellulaire. De plus, la surexpression de BAP1 et de ASXL2 au niveau des fibroblastes induit la sénescence de manière dépendante de leurs interactions. D’autre part, nous avons identifié des mutations de cancers au niveau de BAP1 le rendant incapable de lier ASXL1/2, d’exercer sa fonction d’autodéubiquitination et de ce fait d’agir comme suppresseur de tumeurs. Ainsi nous avons révélé un lien étroit entre le gène suppresseur de tumeurs BAP1, son activité déubiquitinase et le contrôle de la prolifération cellulaire.