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.

ABSTRACT Background ALK activating mutations are identified in approximately 10% of newly diagnosed neuroblastomas and ALK amplifications in a further 1-2% of cases. Lorlatinib, a third generation ALK inhibitor, will soon be given alongside induction chemotherapy for children with ALK-aberrant neuroblastoma. However, resistance to single agent treatment has been reported and therapies that improve the response duration are urgently required. We studied the preclinical combination of lorlatinib with chemotherapy, or with the MDM2 inhibitor, idasanutlin, as recent data has suggested that ALK inhibitor resistance can be overcome through activation of the p53-MDM2 pathway. Aims To study the preclinical activity of ALK inhibitors alone and in combination with chemotherapy or idasanutlin. Methods We compared different ALK inhibitors in preclinical models prior to evaluating lorlatinib in combination with chemotherapy or idasanutlin. We developed a triple chemotherapy (CAV: cyclophosphamide, doxorubicin and vincristine) in vivo dosing schedule and applied this to both neuroblastoma genetically engineered mouse models (GEMM) and patient derived xenografts (PDX). Results Lorlatinib in combination with chemotherapy was synergistic in immunocompetent neuroblastoma GEMM. Significant growth inhibition in response to lorlatinib was only observed in the ALK -amplified PDX model with the highest ALK expression. In this PDX lorlatinib combined with idasanutlin resulted in complete tumor regression and significantly delayed tumor regrowth. Conclusion Our study suggests that in neuroblastoma, high ALK expression could be associated with response to lorlatinib and either chemotherapy or idasanutlin. The synergy between MDM2 inhibition and ALK inhibition warrants further evaluation of this combination as a potential clinical approach for children with neuroblastoma. STATEMENT OF TRANSLATIONAL RELEVANCE Neuroblastoma is a pediatric tumor of the developing sympathetic nervous system. Around 50% of high-risk neuroblastoma patients are curable. Mutations or amplification of Anaplastic Lymphoma Kinase (ALK) have emerged as a marker with which to further risk-stratify patients. The ALK inhibitor lorlatinib will soon be used alongside chemotherapy in upfront treatment of high-risk patients with ALK-aberrant disease. In this preclinical study, we used a panel of ALK aberrant neuroblastoma models to evaluate ALK inhibitors focusing on lorlatinib in combination with conventional chemotherapy and the small molecule MDM2 inhibitor idasanutlin. In both approaches we found synergy in models with high basal ALK expression without MAPK pathway alterations. We conclude that in neuroblastoma the level of ALK expression could be an additional biomarker predictive of clinical response to ALK inhibitors.