Oncogenic alterations to DNA are not transforming in all cellular contexts1,2. This may be due to pre-existing transcriptional programmes in the cell of origin. Here we define anatomic position as a major determinant of why cells respond to specific oncogenes. Cutaneous melanoma arises throughout the body, whereas the acral subtype arises on the palms of the hands, soles of the feet or under the nails3. We sequenced the DNA of cutaneous and acral melanomas from a large cohort of human patients and found a specific enrichment for BRAF mutations in cutaneous melanoma and enrichment for CRKL amplifications in acral melanoma. We modelled these changes in transgenic zebrafish models and found that CRKL-driven tumours formed predominantly in the fins of the fish. The fins are the evolutionary precursors to tetrapod limbs, indicating that melanocytes in these acral locations may be uniquely susceptible to CRKL. RNA profiling of these fin and limb melanocytes, when compared with body melanocytes, revealed a positional identity gene programme typified by posterior HOX13 genes. This positional gene programme synergized with CRKL to amplify insulin-like growth factor (IGF) signalling and drive tumours at acral sites. Abrogation of this CRKL-driven programme eliminated the anatomic specificity of acral melanoma. These data suggest that the anatomic position of the cell of origin endows it with a unique transcriptional state that makes it susceptible to only certain oncogenic insults. In a zebrafish model of human cutaneous and acral melanomas, CRKL amplification causes tumours to favour a fin location, indicating that tumour location is determined by both the driver oncogenes and the pre-existing positional identity gene program.

Abstract The pace of human brain development is highly protracted compared to most other species. The maturation of cortical neurons is particularly slow, extending over months to years to reach adult-like functions. Remarkably, such protracted timing is retained in cortical neurons derived from human pluripotent stem cell (hPSC) during in vitro differentiation or upon transplantation into the murine brain in vivo . Those findings suggest the presence of a cell intrinsic clock that sets the pace of neuronal maturation, though the molecular nature of such a clock has remained elusive. Here, we identify an epigenetic developmental program which sets the timing of human neuronal maturation. First, we developed a human PSC-based approach to synchronize the birth of cortical neurons in vitro which allowed us to define a detailed atlas of progressive morphological, functional, and molecular maturation in human cortical neurons. Interestingly, we observed a slow, temporal unfolding of maturation programs that is limited by the retention of a specific set of epigenetic factors. Loss-of-function studies for several of those factors in cortical neurons enables precocious molecular and physiological maturation. Remarkably, transient inhibition of EZH2, EHMT1/2 or DOT1L, at the progenitor stage primes newly born neurons to rapidly acquire mature properties upon differentiation. Therefore, our findings reveal that the rate at which human neurons mature is set well before neurogenesis through the establishment of an “epigenetic barrier” in progenitor cells. Mechanistically, this barrier acts by holding transcriptional maturation programs in a poised state that gets gradually released during neuronal differentiation to ensure the prolonged timeline characteristic of human cortical neuron maturation.

The pace of human brain development is highly protracted compared with most other species1-7. The maturation of cortical neurons is particularly slow, taking months to years to develop adult functions3-5. Remarkably, such protracted timing is retained in cortical neurons derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) during in vitro differentiation or upon transplantation into the mouse brain4,8,9. Those findings suggest the presence of a cell-intrinsic clock setting the pace of neuronal maturation, although the molecular nature of this clock remains unknown. Here we identify an epigenetic developmental programme that sets the timing of human neuronal maturation. First, we developed a hPSC-based approach to synchronize the birth of cortical neurons in vitro which enabled us to define an atlas of morphological, functional and molecular maturation. We observed a slow unfolding of maturation programmes, limited by the retention of specific epigenetic factors. Loss of function of several of those factors in cortical neurons enables precocious maturation. Transient inhibition of EZH2, EHMT1 and EHMT2 or DOT1L, at progenitor stage primes newly born neurons to rapidly acquire mature properties upon differentiation. Thus our findings reveal that the rate at which human neurons mature is set well before neurogenesis through the establishment of an epigenetic barrier in progenitor cells. Mechanistically, this barrier holds transcriptional maturation programmes in a poised state that is gradually released to ensure the prolonged timeline of human cortical neuron maturation.

SUMMARY Inflammation is essential to the disruption of tissue homeostasis, and, in the pancreas, can destabilize the identity of terminally differentiated acinar cells. Herein we employ lineage-traced mouse models to delineate the chromatin dynamics that accompany the cycle of metaplasia and regeneration following pancreatitis, and unveil the presence of an epigenetic memory of inflammation in the pancreatic acinar cell compartment. We observe that despite histologic resolution of pancreatitis, acinar cells fail to return to their molecular baseline after several months, representing an incomplete cell fate decision. In vivo , this epigenetic memory controls lineage plasticity, with diminished metaplasia in response to a second inflammatory insult but increased tumorigenesis with an oncogenic Kras mutation. We demonstrate that both persistent chromatin and transcriptional changes constituting memory are recalled with oncogenic stress. Together, our findings define the dynamics and recall of an epigenetic memory of inflammation that impacts cell fate decisions in a context-dependent manner.

Summary Oncogenic alterations to DNA are not transforming in all cellular contexts 1, 2 . This may be due to pre-existing transcriptional programs in the cell of origin. Here, we define anatomic position as a major determinant of why cells respond to specific oncogenes. Cutaneous melanoma arises throughout the body, whereas the acral subtype arises on the palms of the hands, soles of the feet, or under the nails 3 . We sequenced the DNA of cutaneous and acral melanomas from a large cohort of human patients and found a specific enrichment for BRAF mutations in cutaneous melanoma but CRKL amplifications in acral melanoma. We modeled these changes in transgenic zebrafish models and found that CRKL-driven tumors predominantly formed in the fins of the fish. The fins are the evolutionary precursors to tetrapod limbs, indicating that melanocytes in these acral locations may be uniquely susceptible to CRKL. RNA profiling of these fin/limb melanocytes, compared to body melanocytes, revealed a positional identity gene program typified by posterior HOX13 genes. This positional gene program synergized with CRKL to drive tumors at acral sites. Abrogation of this CRKL-driven program eliminated the anatomic specificity of acral melanoma. These data suggest that the anatomic position of the cell of origin endows it with a unique transcriptional state that makes it susceptible to only certain oncogenic insults.

Abstract Oncogenes are only transforming in certain cellular contexts, a phenomenon called oncogenic competence. The mechanisms regulating this competence remain poorly understood. Here, using a combination of a novel human pluripotent stem cell (hPSC)-based cancer model along with zebrafish transgenesis, we demonstrate that the transforming ability of BRAF V600E depends upon the intrinsic transcriptional program present in the cell of origin. Remarkably, in both systems, melanocytes (MC) are largely resistant to BRAF. In contrast, both neural crest (NC) and melanoblast (MB) populations are readily transformed. Molecular profiling reveals that NC/MB cells have markedly higher expression of chromatin modifying enzymes, and we discovered that the chromatin remodeler ATAD2 is required for response to BRAF and tumor initiation. ATAD2 forms a complex with SOX10, allowing for expression of downstream oncogenic programs. These data suggest that oncogenic competence is mediated by developmental regulation of chromatin factors, which then allow for proper response to those oncogenes.

SUMMARY Pro-inflammatory signaling is a hallmark feature of human cancer, including in myeloproliferative neoplasms (MPNs), most notably myelofibrosis (MF). Dysregulated inflammatory signaling contributes to fibrotic progression in MF; however, the individual cytokine mediators elicited by malignant MPN cells to promote collagen-producing fibrosis and disease evolution remain yet to be fully elucidated. Previously we identified a critical role for combined constitutive JAK/STAT and aberrant NF-κB pro-inflammatory signaling in myelofibrosis development. Using single-cell transcriptional and cytokine-secretion studies of primary MF patient cells and two separate murine models of myelofibrosis, we extend this previous work and delineate the role of CXCL8/CXCR2 signaling in MF pathogenesis and bone marrow fibrosis progression. MF patient hematopoietic stem/progenitor cells are enriched in a CXCL8/CXCR2 gene signature and display dose-dependent proliferation and fitness in response to exogenous CXCL8 ligand in vitro . Genetic deletion of Cxcr2 in the hMPL W515L adoptive transfer model abrogates fibrosis and extends overall survival, and pharmacologic inhibition of the CXCR1/2 pathway improves hematologic parameters, attenuates bone marrow fibrosis, and synergizes with JAK inhibitor therapy. Our mechanistic insights provide a rationale for therapeutic targeting of the CXCL8/CXCR2 pathway in MF patients at risk for continued fibrotic progression.

Abstract We present HiC-DC+, a software tool for Hi-C/Hi-ChIP interaction calling and differential analysis using an efficient implementation of the HiC-DC statistical framework. HiC-DC+ integrates with popular preprocessing and visualization tools, includes TAD and A/B compartment callers, and outperformed existing tools in H3K27ac HiChIP benchmarking as validated by CRISPRi-FlowFISH. Differential HiC-DC+ analysis recovered global principles of 3D organization during cohesin perturbation and differentiation, including TAD aggregation, enhancer hubs, and promoter-enhancer loop dynamics.

Summary Oncogenic mutations in the metabolic enzyme isocitrate dehydrogenase 1 and 2 (IDH1/2) have been found in a number of liquid and solid tumors. Their pathogenic mechanism of action involves production of 2-hydroxyglutarate (2HG), an oncometabolite that acts in part by inhibiting members of a family of dioxygenases that modulate chromatin dynamics. Recent work has suggested that mutant IDH (mIDH) and 2HG also impact sensitivity to inhibitors of poly-ADP ribose polymerases (PARP) but the molecular basis for this sensitivity is unclear. Unlike PARP inhibitor-sensitive BRCA1/2 tumors which exhibit impaired homologous recombination, IDH-mutant tumors have a silent mutational profile and lack mutational signatures associated with impaired homologous recombination. Instead, 2HG-producing IDH mutations lead to heterochromatin-dependent slowing of DNA replication and increased replication stress, resulting in DNA double strand breaks. This replicative stress manifests as replication fork slowing but the breaks are repaired without a significant increase in the cellular mutation burden. Faithful resolution of replicative stress in IDH-mutant cells is dependent on poly-ADP ribosylation. Treatment with PARP inhibitors restores replication fork speed but results in incomplete repair of DNA breaks. These findings provide evidence of a requirement for PARP in the replication of heterochromatin and further validate PARP as a potential therapeutic target in IDH-mutant tumors.

Abstract Neuroblastoma is characterised by extensive inter- and intra-tumour genetic heterogeneity and varying clinical outcomes. One possible driver for this heterogeneity are extrachromosomal DNAs (ecDNA), which segregate independently to the daughter cells during cell division and can lead to rapid amplification of oncogenes. While ecDNA-mediated oncogene amplification has been shown to be associated with poor prognosis in many cancer entities, the effects of ecDNA copy number heterogeneity on intermediate phenotypes are still poorly understood. Here, we leverage DNA and RNA sequencing data from the same single cells in cell lines and neuroblastoma patients to investigate these effects. We utilise ecDNA amplicon structures to determine precise ecDNA copy numbers and reveal extensive intercellular ecDNA copy number heterogeneity. We further provide direct evidence for the effects of this heterogeneity on gene expression of cargo genes, including MYCN and its downstream targets, and the overall transcriptional state of neuroblastoma cells. These results highlight the potential for rapid adaptability of cellular states within a tumour cell population mediated by ecDNA copy number, emphasising the need for ecDNA-specific treatment strategies to tackle tumour formation and adaptation.