Functional immunogenomics in hematological malignancies

Cancer immunotherapy, or activating immunity against malignant cells, is a promising treatment option in hematological malignancies. More effective immunotherapies could be applied with higher precision if we better understood how immune properties depend on the cancer type and genetic makeup of the cancer cells, which mechanisms determine whether a cancer cell is eliminated by immune cells, and how to pharmacologically exploit such mechanisms. Functional genomics provides tools such as gene expression profiling and genetic perturbation screens to study immunological processes in cancer. This work aimed to discover connections between the immune properties and molecular subtypes of blood cancers (study I), the genetic basis and drug sensitivity profile of aggressive natural killer (NK) cell leukemia (study II), resistance mechanisms of lymphocyte cytotoxicity (studies III and IV), and combination treatments with chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapy (study IV) using functional genomics and high-throughput drug screening. Genomic data from over 10,000 blood cancer patients revealed genetic determinants of immune infiltration such as a myelodysplastic syndrome-like subtype in acute myeloid leukemia (AML), regulation of antigen presentation by DNA methylation, and immune features typical for certain cancer types, such as the inhibitory immune regulator VISTA in myeloid malignancies and cancer-germline antigens in multiple myeloma. By exposing blood cancer cells to NK cells, we found differences in NK cell activation responses and sensitivity to NK cells depending on the cancer type, with AML being more susceptible than B cell acute lymphoblastic leukemia. Genome-scale CRISPR screens revealed cancer cell-intrinsic regulators of sensitivity to NK cells, explaining observed differences in sensitivity and highlighting new regulators such as adhesion molecules SPN, SELPLG, and CD44 and transcriptional regulators MYB, YTHDF2, and CMIP. Out of over 500 oncology drugs, a class of drugs known as SMAC mimetics sensitized leukemia cells to killing by CAR T cells. Somatic mutations in STAT3, DDX3X, RAS-MAPK genes and several epigenetic modifiers constituted the genetic basis of aggressive NK cell leukemia. JAK and BCL2 family inhibitors emerged as potential therapies in NK cell malignancies. The findings suggest that considering molecular subtypes of cancer may be useful in the search for optimal immunotherapies, and provide leads on genetic mechanisms and drugs that could facilitate development of new precision medicine and immunotherapy approaches in hematological malignancies.Syövän immunoterapia eli elimistön immuunipuolustuksen aktivoiminen pahanlaatuisia soluja vastaan on lupaava hoitomuoto verisyövissä. Immunoterapioita voitaisiin tehostaa ja kohdentaa paremmin ymmärtämällä miten immunologiset ominaisuudet riippuvat syöpäsolujen perimän muutoksista ja eroavat syöpätyyppien välillä, mitkä mekanismit määrittävät syöpäsolun herkkyyden immuunisoluille, ja miten näitä mekanismeja voitaisiin hyödyntää lääkkeiden avulla. Funktionaalinen genomiikka tarjoaa geeniekspressioprofiloinnin ja funktionaalisten geeniseulontojen kaltaisia työkaluja näiden syöpäimmunologian kysymysten tutkimukseen. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää yhteyksiä immunologisten piirteiden ja verisyöpien molekyylitason alatyyppien kanssa (osatyö I), aggressiivisen NK-soluleukemian geneettinen perusta ja lääkeherkkyysprofiili (osatyö II), vastustusmekanismeja imusoluvälitteiselle solutapolle (osatyöt III ja IV) ja yhdistelmälääkehoitoja CAR-T-soluhoidoille (osatyö IV) käyttäen funktionaalista genomiikkaa ja lääkkeiden tehoseulontaa. Yli 10 000 verisyöpäpotilaan genomitiedosta paljastui immuunisolujen määrään liittyviä tekijöitä kuten myelodysplastisen oireyhtymän kaltaisen alatyypin akuutissa myeloisessa leukemiassa (AML), DNA:n metylaation vaikutus antigeenien esittelyyn, sekä tietyille syöpätyypeille ominaisia immunologisia piirteitä, kuten T-solujen toimintaa estävä VISTA myeloisissa maligniteeteissa ja syöpä-iturata-antigeenit multippelissa myeloomassa. Altistamalla verisyöpäsoluja NK-soluille havaitsimme, että syöpäsolujen tyyppi vaikutti sekä NK-soluissa tapahtuvaan aktivaatiovasteeseen että syöpäsolujen herkkyyteen NK soluille: AML-solut olivat herkempiä kuin B-soluisen akuutin lymfoblastileukemian solut. Perimänlaajuiset CRISPR-seulonnat verisyöpäsolulinjoissa paljastivat herkkyyseroja selittäviä syöpäsolujen sisäisiä mekanismeja ja nostivat esiin uusia NK-soluherkkyyden säätelijöitä, kuten solujen kiinnittymismolekyylit SPN, SELPLG ja CD44 sekä geenien ilmentymisen säätelijät MYB, YTHDF2, ja CMIP. Somaattiset mutaatiot STAT3- ja DDX3X-geeneissä, RAS-MAPK-signaloinnissa sekä monissa epigeneettisissä säätelijöissä muodostivat aggressiivisen NK-soluleukemian geneettisen perustan, ja lääkeherkkyysseulonnalla havaittiin JAK-estäjät ja BCL2-perheen estäjät mahdollisina hoitoina. Yli 500 syöpälääkkeestä SMAC-mimeeteiksi kutsuttu lääkeryhmän herkisti leukemiasoluja CAR-T-soluille. Löydösten perusteella syövän molekyylitason alatyyppien huomioiminen voi olla hyödyksi optimaalisten immunoterapioiden etsinnässä. Työssä osoitetut geneettiset mekanismit ja lääkkeet voisivat auttaa uusien täsmähoitojen ja immunoterapioiden kehittämisessä verisyöpiin