Dissecting the oncogenic mechanism of DUX4-IGH in acute lymphoblastic leukemia

Fino al 10% dei pazienti con leucemia linfoblastica acuta (ALL), la malattia è causata dalla traslocazione del gene double homeobox 4 (DUX4) nel locus della catena pesante delle immunoglobuline (IGH), con conseguente sovraespressione nei precursori dei linfociti B del Proteina di fusione DUX4-IGH con un C-terminale aberrante. DUX4 è un fattore di trascrizione normalmente espresso nella linea germinale e nell'embrione precoce. La sua aberrante riattivazione nelle cellule somatiche media la tossicità cellulare attivando un programma trascrizionale pro-apoptotico. Al contrario, DUX4-IGH mostra capacità di trasformazione e la sua espressione induce la leucemia. Ad oggi, il meccanismo molecolare attraverso il quale DUX4-IGH induce e mantiene la leucemia rimane poco conosciuto, compromettendo la possibilità di sviluppare terapie mirate. Accoppiando la trascrittomica dell'intero genoma (RNA-seq) e le analisi di legame del DNA (Cut&Tag) nelle cellule B-ALL, abbiamo scoperto che DUX4 e DUX4-IGH si legano e attivano diversi set di geni, nonostante condividano lo stesso dominio di legame al DNA. In contrasto con i geni pro-apoptotici attivati ​​da DUX4, DUX4-IGH induce l'espressione di geni coinvolti nell'adesione e nella migrazione cellulare. Curiosamente, mentre DUX4 è attivo in modo simile in qualsiasi tipo di cellula, DUX4-IGH mostra un'attività limitata alle cellule B. Tramite tandem affinity purification seguita dalla spettrometria di massa quantitativa, abbiamo scoperto che DUX4-IGH interagisce selettivamente con il fattore di trascrizione GTF2I, che è altamente espresso nei linfociti B. La downregolazione di GTF2I mediata da piccole molecole abroga la capacità di DUX4-IGH di attivare i suoi geni target e promuovere la formazione di sferoidi tumorali. Sorprendentemente, l'espressione forzata di GTF2I è sufficiente per consentire alle cellule non B di diventare reattive a DUX4-IGH. I nostri risultati supportano un nuovo meccanismo di iniziazione della leucemia da parte di DUX4-IGH che richiede un'interazione selettiva con GTF2I tramite il suo nuovo C-terminale generato dal riarrangiamento, che è la chiave per attivare i geni necessari per l'induzione della leucemia, ponendo le basi per lo sviluppo di un nuovo approccio terapeutico per colpire in modo specifico l'attività del fattore di trascrizione di fusione.

In up to 10% of Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL) patients, the disease is caused by translocations of the double homeobox 4 (DUX4) gene into the immunoglobulin heavy chain (IGH) locus, resulting in the overexpression in B-cell precursors of the DUX4-IGH fusion protein with an aberrant C-terminus. DUX4 is a transcription factor normally expressed in the germline and early embryo. Its aberrant reactivation in somatic cells mediates cellular toxicity by activating a pro-apoptotic transcriptional program. In contrast, DUX4-IGH displays transforming abilities and its expression induces leukemia. To date, the molecular mechanism through which DUX4-IGH induces and maintains leukemia remains poorly understood, impairing the possibility to develop targeted therapies. By coupling Genome-wide transcriptomics (RNA-seq) and DNA-binding analyses (Cut&Tag) in B-ALL cells, we found that DUX4 and DUX4-IGH bind to and activate different gene sets, despite sharing the same DNA-binding domain. In contrast with the pro-apoptotic targets activated by DUX4, DUX4-IGH drives the expression of genes involved in cell adhesion and migration. Intriguingly, while DUX4 is similarly active in any cell type, DUX4-IGH displays a B-cell restricted activity. By performing tandem affinity purification followed by quantitative mass spectrometry, we discovered that DUX4-IGH selectively interacts with the transcription factor GTF2I, which is highly expressed in B cells. Small molecule-mediated downregulation of GTF2I abrogates the ability of DUX4-IGH to activate its target genes and promote tumor spheroids formation. Strikingly, forced GTF2I expression is sufficient to allow non-B cells to become DUX4-IGH responsive. Our results support a novel mechanism of leembukemogenesis by DUX4-IGH which requires selective interaction with GTF2I via its novel C-terminus generated upon rearrangement which is key to activate genes required for leukemogenesis, laying the basis for the development of new therapeutic approach to specifically target the activity of the fusion transcription factor.