Abstract Background Precision oncology is gradually advancing into mainstream clinical practice, demonstrating significant survival benefits. However, eligibility and response rates remain limited in many cases, calling for better predictive biomarkers. Methods We present ENLIGHT, a transcriptomics-based computational approach that identifies clinically relevant genetic interactions and uses them to predict a patient’s response to a variety of therapies in multiple cancer types, without training on previous treatment response data. We study ENLIGHT in two translationally oriented scenarios: Personalized Oncology (PO) , aimed at prioritizing treatments for a single patient, and Clinical Trial Design (CTD ), selecting the most likely responders in a patient cohort. Findings Evaluating ENLIGHT’s performance on 21 blinded clinical trial datasets in the PO setting, we show that it can effectively predict a patient’s treatment response across multiple therapies and cancer types. Its prediction accuracy is better than previously published transcriptomics-based signatures and is comparable to that of supervised predictors developed for specific indications and drugs. In combination with the IFN-γsignature, ENLIGHT achieves an odds ratio larger than 4 in predicting response to immune checkpoint therapy. In the CTD scenario, ENLIGHT can potentially enhance clinical trial success for immunotherapies and other monoclonal antibodies by excluding non-responders, while overall achieving more than 90% of the response rate attainable under an optimal exclusion strategy. Conclusion ENLIGHT demonstrably enhances the ability to predict therapeutic response across multiple cancer types from the bulk tumor transcriptome. Funding This research was supported in part by the Intramural Research Program, NIH and by the Israeli Innovation Authority.

Previous studies reported that alternating electric fields (EFs) in the intermediate frequency (100 - 300 kHz) and low intensity (1 - 3 V/cm) regime - termed "Tumor Treating Fields" (TTFields) - have a specific, anti-proliferative effect on glioblastoma multiforme (GBM) cells. However, the mechanism(s) of action remain(s) incompletely understood, hindering the clinical adoption of treatments based on TTFields. To advance the study of such treatment in vitro , we developed an inductive device to deliver EFs to cell cultures which improves thermal and osmolar regulation compared to prior devices. Using this inductive device, we applied continuous, 200 kHz electromagnetic fields (EMFs) with a radial EF amplitude profile spanning 0 - 6.5 V/cm to cultures of primary rat astrocytes and several human GBM cell lines - U87, U118, GSC827, and GSC923 - for a duration of 72 hours. Cell density was assessed via segmented pixel densities from GFP expression (U87, U118) or from staining (astrocytes, GSC827, GSC923). Further RNA-Seq analyses were performed on GSC827 and GSC923 cells. Treated cultures of all cell lines exhibited little to no change in proliferation at lower EF amplitudes (0 - 3 V/cm). At higher amplitudes (> 4 V/cm), different effects were observed. Apparent cell densities increased (U87), decreased (GSC827, GSC923), or showed little change (U118, astrocytes). RNA-Seq analyses on treated and untreated GSC827 and GSC923 cells revealed differentially expressed gene sets of interest, such as those related to cell cycle control. Up- and down-regulation, however, was not consistent across cell lines nor EF amplitudes. Our results indicate no consistent, anti-proliferative effect of 200 kHz EMFs across GBM cell lines and thus contradict previous in vitro findings. Rather, effects varied across different cell lines and EF amplitude regimes, highlighting the need to assess the effect(s) of TTFields and similar treatments on a per cell line basis.

Isocitrate dehydrogenase (IDH)-mutant gliomas exhibit unique metabolic and biological features that may make them vulnerable to specific treatment. In this study, we investigated the selective vulnerability of IDH-mutant gliomas to zotiraciclib (ZTR).We examined ZTR-induced cell death, mitochondrial dysfunction, and biogenesis defect at RNA, protein, and cellular levels. The survival benefit and pharmacodynamics of ZTR were evaluated using mouse models bearing mutant or wildtype IDH.The IC 50 of ZTR in IDH-mutant patient-derived glioma cells was more than 50% lower than in IDH-wildtype cells. A high-throughput drug screen, utilizing a library of 2,481 approved and investigational drugs, provided independent evidence that ZTR was one of the most effective agents against IDH-mutant gliomas. ZTR-induced suppression of CDK9 and RNA Pol II phosphorylation was more pronounced in IDH-mutant cells. Low-dose ZTR (15 nM) suppressed mitochondrial respiration complexes and NAD+ production, leading to oxidative stress in IDH-mutant but not in IDH-wildtype cells. Furthermore, ZTR exposure resulted in a decrease in glycolysis, exacerbating bioenergetic failure. Finally, ZTR significantly prolonged the survival of mice bearing intracranial IDH-mutant gliomas but not in the IDH-wildtype counterpart. The combination of mitochondrial dysfunction and the inability to adapt to oxidative stress leads to potent ZTR-induced cell death and thereby an increased therapeutic vulnerability in IDH-mutant gliomas.The findings led to the launch of a clinical trial of ZTR in IDH-mutant gliomas towards precision medicine ( NCT 05588141 ).

Cytosolic IDH1 enzyme plays a key, but currently unexplored, role in lipid biosynthesis. Using Raman imaging microscopy, we identified heterogeneous lipid profiles in cellular organelles attributed uniquely to IDH1 mutations. Via organelle lipidomics, we found an increase in saturated and monounsaturated fatty acids in the endoplasmic reticulum of IDH1mut cells compared with IDHWT glioma. We showed that these fatty acids incorporate into phospholipids and induce organelle dysfunctions, with prominent dilation of Golgi apparatus, which can be restored by transient knockdown of stearyl-CoA desaturase or inhibition of D-2-hydroxyglutarate (D-2HG) formation. We validated these findings using tissue from patients with glioma. Oleic acid addition led to increased sensitivity to apoptosis of IDH1mut cells compared with IDHWT. Addition of D-2HG to U251WT cells lead in increased ER and Golgi apparatus dilation. Collectively, these studies provide clinically relevant insights into the functional link between IDH1mut-induced lipid alterations and organelle dysfunction, with therapeutic implications.

Precision oncology has made significant advances in the last few years, mainly by targeting actionable mutations in cancer driver genes. However, the proportion of patients whose tumors can be targeted therapeutically remains limited. Recent studies have begun to explore the benefit of analyzing tumor transcriptomics data to guide patient treatment, raising the need for new approaches for systematically accomplishing that. Here we show that computationally derived genetic interactions can successfully predict patient response. Assembling a broad repertoire of 32 datasets spanning more than 1,500 patients and including both tumor transcriptomics and response data, we predicted the response in 17 out of 21 targeted and 8 out of 11 checkpoint therapy datasets across 8 different cancer types with considerable accuracy, without ever training on these datasets. Analyzing the recently published multi-arm WINTHER trial, we show that the fraction of patients benefitting from transcriptomic-based treatments could potentially be markedly increased from 15% to about 85% by targeting synthetic lethal vulnerabilities in their tumors. In summary, this is the first computational approach to obtain considerable predictive performance across many different targeted and immunotherapy datasets, providing a promising new way for guiding cancer treatment based on the tumor transcriptomics of cancer patients.

Abstract Nutritional intervention is becoming more prevalent as adjuvant therapy for many cancers in view of the tumor dependence on external sources for some nutrients. We report the dependence of glioma cells on exogenous cysteine/cystine, despite this amino acid being nonessential. 13 C-tracing and the analysis of cystathionine synthase and cystathioninase levels revealed the metabolic landscape attributable to cysteine deprivation, and the disconnection between the methionine cycle and the transsulfuration pathway. Therefore, we explored the nutritional deprivation in a mouse model of glioma. Animals subjected to a cysteine/cystine-free diet survived longer, with concomitant reductions in glutathione and cysteine plasma levels. At the end point, however, tumors displayed the ability to synthesize glutathione, although higher levels of oxidative stress were detected. We observed a compensation from the nutritional intervention revealed as the recovery of cysteine-related metabolites in plasma. Our study highlights a time window where cysteine deprivation can be exploited for additional therapeutic strategies.

ABSTRACT A defining pathological feature of most neurodegenerative diseases is the assembly of proteins into amyloid that form disease-specific structures. In Alzheimer’s disease (AD) this is characterised by the deposition of amyloid-β (Aβ) and tau with AD-specific conformations. The in situ structure of amyloid in the human brain is unknown. Here, using cryogenic fluorescence microscopy (cryoFM)-targeted cryo-sectioning, cryo-focused ion beam scanning electron microscopy (cryoFIB-SEM) liftout and cryo-electron tomography (cryoET), we determined the in-tissue structure of β-amyloid and tau pathology in fresh post-mortem AD donor brain. β-amyloid plaques contained a mixture of fibrils and protofilaments arranged in parallel arrays and lattice-like structures, some of which were branched. Extracellular vesicles, extracellular droplets and open lipid bilayer sheets defined non-amyloid constituents of amyloid plaques. In contrast, tau inclusions were characterised by clusters of unbranched filaments. Subtomogram averaging of filaments within each cluster revealed distinct structures including variably twisted paired helical filaments (PHF) and chronic traumatic encephalopathy (CTE)-like tau filaments that were situated ∼1 μm apart within two microscopic regions of pathology. Filaments within a cluster were similar to each other, but different between clusters, showing that fibril heterogeneity is spatially organised and influenced by the subcellular tissue environment. The in situ structural approaches outlined here for targeting specific proteins within human donor tissues have applications to a broad range of neurodegenerative diseases.

Abstract Ependymomas encompass a heterogeneous group of central nervous system (CNS) neoplasms that occur along the entire neuroaxis. In recent years, extensive (epi-)genomic profiling efforts have identified several molecular groups of ependymoma that are characterized by distinct molecular alterations and/or patterns. Based on unsupervised visualization of a large cohort of genome-wide DNA methylation data, we identified a highly distinct group of pediatric-type tumors (n = 40) forming a cluster separate from all established CNS tumor types, of which a high proportion were histopathologically diagnosed as ependymoma. RNA sequencing revealed recurrent fusions involving the pleomorphic adenoma gene-like 1 ( PLAGL1 ) gene in 19 of 20 of the samples analyzed, with the most common fusion being EWSR1:PLAGL1 (n = 13). Five tumors showed a PLAGL1:FOXO1 fusion and one a PLAGL1:EP300 fusion. High transcript levels of PLAGL1 were noted in these tumors, with concurrent overexpression of the imprinted genes H19 and IGF2 , which are regulated by PLAGL1. Histopathological review of cases with sufficient material (n = 16) demonstrated a broad morphological spectrum of largely ependymoma-like tumors. Immunohistochemically, tumors were GFAP-positive and OLIG2- and SOX10-negative. In 3/16 of the cases, a dot-like positivity for EMA was detected. Consistent with other fusion-positive ependymal groups, all tumors in our series were located in the supratentorial compartment. Median age of the patients at the time of diagnosis was 6.2 years. Analysis of time to progression or recurrence revealed survival times comparable to those of patients with ZFTA:RELA -fused ependymoma. In summary, our findings suggest the existence of a novel group of supratentorial ependymomas that are characterized by recurrent PLAGL1 fusions and enriched for pediatric patients.