Isabelle Janoueix-Lerosey, Valentina Boeva and colleagues analyze the super-enhancer landscape of 25 neuroblastoma cell lines to define core regulatory circuits controlling gene expression programs. They find and functionally characterize two types of cell identity that contribute to the tumor heterogeneity of neuroblastoma. Neuroblastoma is a tumor of the peripheral sympathetic nervous system1, derived from multipotent neural crest cells (NCCs). To define core regulatory circuitries (CRCs) controlling the gene expression program of neuroblastoma, we established and analyzed the neuroblastoma super-enhancer landscape. We discovered three types of identity in neuroblastoma cell lines: a sympathetic noradrenergic identity, defined by a CRC module including the PHOX2B, HAND2 and GATA3 transcription factors (TFs); an NCC-like identity, driven by a CRC module containing AP-1 TFs; and a mixed type, further deconvoluted at the single-cell level. Treatment of the mixed type with chemotherapeutic agents resulted in enrichment of NCC-like cells. The noradrenergic module was validated by ChIP-seq. Functional studies demonstrated dependency of neuroblastoma with noradrenergic identity on PHOX2B, evocative of lineage addiction. Most neuroblastoma primary tumors express TFs from the noradrenergic and NCC-like modules. Our data demonstrate a previously unknown aspect of tumor heterogeneity relevant for neuroblastoma treatment strategies.

Abstract Two cell identities, noradrenergic and mesenchymal, have been characterized in neuroblastoma cell lines according to their epigenetic landscapes relying on specific circuitries of transcription factors. Yet, their relationship and relative contribution in patient tumors remain poorly defined. Here, we demonstrate that the knock-out of GATA3 , but not of PHOX2A or PHOX2B , in noradrenergic cells induces a mesenchymal phenotype. Our results document spontaneous plasticity in several models between both identities and show that plasticity relies on epigenetic reprogramming. We demonstrate that an in vivo microenvironment provides a powerful pressure towards a noradrenergic identity for these models. Consistently, tumor cells with a mesenchymal identity are not detected in a series of PDX models. Further study of the intra-tumor noradrenergic heterogeneity reveals two distinct cell populations exhibiting features of chromaffin-like or sympathoblast-like cells. This work emphasizes that both external cues of the environment and intrinsic factors control plasticity and cell identity in neuroblastoma.