Introductory paragraph The clinical success of targeted cancer therapy is limited by drug resistance that renders cancers lethal in patients 1-4 . Human tumours can evolve therapy resistance by acquiring de novo genetic alterations and increased heterogeneity via mechanisms that remain incompletely understood 1 . Here, through parallel analysis of human clinical samples, tumour xenograft and cell line models and murine model systems, we uncover an unanticipated mechanism of therapy-induced adaptation that fuels the evolution of drug resistance. Targeted therapy directed against EGFR and ALK oncoproteins in lung cancer induced adaptations favoring apolipoprotein B mRNA-editing enzyme, catalytic polypeptide (APOBEC)-mediated genome mutagenesis. In human oncogenic EGFR -driven and ALK -driven lung cancers and preclinical models, EGFR or ALK inhibitor treatment induced the expression and DNA mutagenic activity of APOBEC3B via therapy-mediated activation of NF-κB signaling. Moreover, targeted therapy also mediated downregulation of certain DNA repair enzymes such as UNG2, which normally counteracts APOBEC-catalyzed DNA deamination events. In mutant EGFR -driven lung cancer mouse models, APOBEC3B was detrimental to tumour initiation and yet advantageous to tumour progression during EGFR targeted therapy, consistent with TRACERx data demonstrating subclonal enrichment of APOBEC-mediated mutagenesis. This study reveals how cancers adapt and drive genetic diversity in response to targeted therapy and identifies APOBEC deaminases as future targets for eliciting more durable clinical benefit to targeted cancer therapy.

Abstract Targeted therapy is effective in many tumor types including lung cancer, the leading cause of cancer mortality. Paradigm defining examples are targeted therapies directed against non-small cell lung cancer (NSCLC) subtypes with oncogenic alterations in EGFR, ALK and KRAS. The success of targeted therapy is limited by drug-tolerant tumor cells which withstand and adapt to treatment and comprise the residual disease state that is typical during treatment with clinical targeted therapies. Here, we integrate studies in patient-derived and immunocompetent lung cancer models and clinical specimens obtained from patients on targeted therapy to uncover a focal adhesion kinase (FAK)-YAP signaling axis that promotes residual disease during oncogenic EGFR-, ALK-, and KRAS-targeted therapies. FAK-YAP signaling inhibition combined with the primary targeted therapy suppressed residual drug-tolerant cells and enhanced tumor responses. This study unveils a FAK-YAP signaling module that promotes residual disease in lung cancer and mechanism-based therapeutic strategies to improve tumor response.

Abstract The enteric nervous system (ENS) plays a central role in gut physiology and mediating the crosstalk between the gastrointestinal (GI) tract and other organs. The human ENS has remained elusive, highlighting the need for an in vitro modeling and mapping blueprint. Here we map out the developmental and functional features of the human ENS, by establishing robust and scalable 2D ENS cultures and 3D enteric ganglioids from human pluripotent stem cells (hPSCs). These models recapitulate the remarkable neuronal and glial diversity found in primary tissue and enable comprehensive molecular analyses that uncover functional and developmental relationships within these lineages. As a salient example of the power of this system, we performed in-depth characterization of enteric nitrergic neurons (NO neurons) which are implicated in a wide range of GI motility disorders. We conducted an unbiased screen and identified drug candidates that modulate the activity of NO neurons and demonstrated their potential in promoting motility in mouse colonic tissue ex vivo . We established a high-throughput strategy to define the developmental programs involved in NO neuron specification and discovered that PDGFR inhibition boosts the induction of NO neurons in enteric ganglioids. Transplantation of these ganglioids in the colon of NO neuron-deficient mice results in extensive tissue engraftment, providing a xenograft model for the study of human ENS in vivo and the development of cell-based therapies for neurodegenerative GI disorders. These studies provide a framework for deciphering fundamental features of the human ENS and designing effective strategies to treat enteric neuropathies.

RNA structural switches are key regulators of gene expression in bacteria, but their characterization in Metazoa remains limited. Here, we present SwitchSeeker, a comprehensive computational and experimental approach for systematic identification of functional RNA structural switches. We applied SwitchSeeker to the human transcriptome and identified 245 putative RNA switches. To validate our approach, we characterized a previously unknown RNA switch in the 3' untranslated region of the RORC (RAR-related orphan receptor C) transcript. In vivo dimethyl sulfate (DMS) mutational profiling with sequencing (DMS-MaPseq), coupled with cryogenic electron microscopy, confirmed its existence as two alternative structural conformations. Furthermore, we used genome-scale CRISPR screens to identify trans factors that regulate gene expression through this RNA structural switch. We found that nonsense-mediated messenger RNA decay acts on this element in a conformation-specific manner. SwitchSeeker provides an unbiased, experimentally driven method for discovering RNA structural switches that shape the eukaryotic gene expression landscape.

Abstract GI toxicity is a common dose-limiting adverse effect of platin chemotherapy treatment. Up to 50% of cancer survivors continue to experience symptoms of chronic constipation or diarrhea induced by their chemotherapy for many years after their treatment. This drug toxicity is largely attributed to damage to enteric neurons that innervate the GI tract and control GI motility. The mechanisms responsible for platin-induced enteric neurotoxicity and potential preventative strategies have remained unknown. Here, we use human pluripotent stem cell derived enteric neurons to establish a new model system capable of uncovering the mechanism of platin-induced enteric neuropathy. Utilizing this scalable system, we performed a high throughput screen and identified drug candidates and pathways involved in the disease. Our analyses revealed that excitotoxicity through muscarinic cholinergic signaling is a key driver of platin-induced enteric neuropathy. Using single nuclei transcriptomics and functional assays, we discovered that this disease mechanism leads to increased susceptibility of specific neuronal subtypes, including inhibitory nitrergic neurons, to platins. Histological assessment of the enteric nervous system in platin-treated patients confirmed the selective loss of nitrergic neurons. Finally, we demonstrated that pharmacological and genetic inhibition of muscarinic cholinergic signaling is sufficient to rescue enteric neurons from platin excitotoxicity in vitro and can prevent platin-induced constipation and degeneration of nitrergic neurons in mice. These studies define the mechanisms of platin-induced enteric neuropathy and serve as a framework for uncovering cell type-specific manifestations of cellular stress underlying numerous intractable peripheral neuropathies.

ABSTRACT RNA structural switches are key regulators of gene expression in bacteria, yet their characterization in Metazoa remains limited. Here we present SwitchSeeker, a comprehensive computational and experimental approach for systematic identification of functional RNA structural switches. We applied SwitchSeeker to the human transcriptome and identified 245 putative RNA switches. To validate our approach, we characterized a previously unknown RNA switch in the 3’UTR of the RORC transcript. In vivo DMS-MaPseq, coupled with cryogenic electron microscopy, confirmed its existence as two alternative structural conformations. Furthermore, we used genome-scale CRISPR screens to identify trans factors that regulate gene expression through this RNA structural switch. We found that nonsense-mediated mRNA decay acts on this element in a conformation-specific manner. SwitchSeeker provides an unbiased, experimentally-driven method for discovering RNA structural switches that shape the eukaryotic gene expression landscape.

Abstract Antisense RNAs are ubiquitous in human cells, yet the role that they play in healthy and diseased states remains largely unexplored. Here, we developed a computational framework to catalog and profile antisense RNAs and applied it to poorly and highly metastatic breast cancer cell lines. We identified one antisense RNA that plays a functional role in driving breast cancer progression by upregulating the redox enzyme NQO1, and hence named NQO1-antisense RNA or NQO1-AS. This upregulation occurs via a stabilizing interaction between NQO1-AS and its complementary region in the 3’UTR of NQO1 mRNA. By increasing expression of NQO1 protein, breast cancer cells are able to tolerate higher levels of oxidative stress, enabling them to colonize the lung. During this process the cancer cells become dependent on NQO1 to protect them from ferroptosis. We have shown that this dependence can be exploited therapeutically in xenograft models of metastasis. Together, our findings establish a previously unknown role for NQO1-AS in the progression of breast cancer by serving as a post-transcriptional regulator of RNA processing and decay for its sense mRNA.

Broad dysregulation of gene expression control is a hallmark of cancer progression. Identifying the underlying master regulators that drive pathological gene expression is a key challenge in precision oncology. Here, we have developed a network analytical framework, named PRADA, that identifies oncogenic RNA-binding proteins through the systematic detection of coordinated changes in their target regulons. Application of this approach to data collected from clinical samples, patient-derived xenografts, and cell line models of colon cancer metastasis revealed the RNA-binding protein RBMS1 as a suppressor of colon cancer progression. We observed that silencing RBMS1 results in increased metastatic capacity in xenograft mouse models, and that restoring its expression blunts metastatic liver colonization. We have found that RBMS1 functions as a post-transcriptional regulator of RNA stability by directly binding and stabilizing ~80 target mRNAs. Measurements in more than 180 clinical samples as well as survival analyses in publicly available datasets, have shown that RBMS1 silencing and the subsequent downregulation of its targets are strongly associated with disease progression and poor survival in colon cancer patients. Together, our findings establish a role for RBMS1 as a previously unknown regulator of RNA stability and as a suppressor of colon cancer metastasis with clinical utility for risk stratification of patients.

ABSTRACT In our cells, a limited number of RNA binding proteins (RBPs) are responsible for all aspects of RNA metabolism across the entire transcriptome. To accomplish this, RBPs form regulatory units that act on specific target regulons. However, the landscape of RBP combinatorial interactions remains poorly explored. Here, we performed a systematic annotation of RBP combinatorial interactions via multimodal data integration. We built a large-scale map of RBP protein neighborhoods by generating in vivo proximity-dependent biotinylation datasets of 50 human RBPs. In parallel, we used CRISPR interference with single-cell readout to capture transcriptomic changes upon RBP knockdowns. By combining these physical and functional interaction readouts, along with the atlas of RBP mRNA targets from eCLIP assays, we generated an integrated map of functional RBP interactions. We then used this map to match RBPs to their context-specific functions and validated the predicted functions biochemically for four RBPs. This study highlights the previously underappreciated scale of the inter-RBP interactions, be it genetic or physical, and is a first step towards a more comprehensive understanding of post-transcriptional regulatory processes and their underlying molecular grammar.