Abstract Overexpression of the polycomb group protein enhancer of zeste homologue 2 (EZH2) occurs in diverse malignancies, including prostate cancer, breast cancer, and glioblastoma multiforme (GBM). Based on its ability to modulate transcription of key genes implicated in cell cycle control, DNA repair, and cell differentiation, EZH2 is believed to play a crucial role in tissue-specific stem cell maintenance and tumor development. Here, we show that targeted pharmacologic disruption of EZH2 by the S-adenosylhomocysteine hydrolase inhibitor 3-deazaneplanocin A (DZNep), or its specific downregulation by short hairpin RNA (shRNA), strongly impairs GBM cancer stem cell (CSC) self-renewal in vitro and tumor-initiating capacity in vivo. Using genome-wide expression analysis of DZNep-treated GBM CSCs, we found the expression of c-myc, recently reported to be essential for GBM CSCs, to be strongly repressed upon EZH2 depletion. Specific shRNA-mediated downregulation of EZH2 in combination with chromatin immunoprecipitation experiments revealed that c-myc is a direct target of EZH2 in GBM CSCs. Taken together, our observations provide evidence that direct transcriptional regulation of c-myc by EZH2 may constitute a novel mechanism underlying GBM CSC maintenance and suggest that EZH2 may be a valuable new therapeutic target for GBM management. [Cancer Res 2009;69(24):9211–8]

A broad range of brain pathologies critically relies on the vasculature, and cerebrovascular disease is a leading cause of death worldwide. However, the cellular and molecular architecture of the human brain vasculature remains poorly understood. Here, we performed single-cell RNA sequencing of 599,215 freshly isolated endothelial, perivascular and other tissue-derived cells from 47 fetuses and adult patients to construct a molecular atlas of the developing fetal, adult control and diseased human brain vasculature. We uncover extensive molecular heterogeneity of healthy fetal and adult human brains and across eight vascular-dependent CNS pathologies including brain tumors and brain vascular malformations. We identify alteration of arteriovenous differentiation and reactivated fetal as well as conserved dysregulated pathways in the diseased vasculature. Pathological endothelial cells display a loss of CNS-specific properties and reveal an upregulation of MHC class II molecules, indicating atypical features of CNS endothelial cells. Cell-cell interaction analyses predict numerous endothelial-to-perivascular cell ligand-receptor crosstalk including immune-related and angiogenic pathways, thereby unraveling a central role for the endothelium within brain neurovascular unit signaling networks. Our single-cell brain atlas provides insight into the molecular architecture and heterogeneity of the developing, adult/control and diseased human brain vasculature and serves as a powerful reference for future studies.

ABSTRACT A large number of hospitalized COVID-19 patients show neurological symptoms such as ischemic- and hemorrhagic stroke as well as encephalitis, and SARS-CoV-2 can directly infect endothelial cells leading to endotheliitis across multiple vascular beds. These findings suggest an involvement of the brain- and peripheral vasculature in COVID-19, but the underlying molecular mechanisms remain obscure. To understand the potential mechanisms underlying SARS-CoV-2 tropism for brain vasculature, we constructed a molecular atlas of the expression patterns of SARS-CoV-2 viral entry-associated genes (receptors and proteases) and SARS-CoV-2 interaction partners in human (and mouse) adult and fetal brain as well as in multiple non-CNS tissues in single-cell RNA-sequencing data across various datasets. We observed a distinct expression pattern of the cathepsins B (CTSB) and -L (CTSL) - which are able to substitute for the ACE2 co-receptor TMPRSS2 - in the human vasculature with CTSB being mainly expressed in the brain vasculature and CTSL predominantly in the peripheral vasculature, and these observations were confirmed at the protein level in the Human Protein Atlas and using immunofluorescence stainings. This expression pattern of SARS-CoV-2 viral-entry associated proteases and SARS-CoV-2 interaction partners was also present in endothelial cells and microglia in the fetal brain, suggesting a developmentally established SARS-CoV-2 entry machinery in the human vasculature. At both the adult and fetal stages, we detected a distinct pattern of SARS-CoV-2 entry associated genes’ transcripts in brain vascular endothelial cells and microglia, providing a potential explanation for an inflammatory response in the brain endothelium upon SARS-CoV-2 infection. Moreover, CTSB was co-expressed in adult and fetal brain endothelial cells with genes and pathways involved in innate immunity and inflammation, angiogenesis, blood-brain-barrier permeability, vascular metabolism, and coagulation, providing a potential explanation for the role of brain endothelial cells in clinically observed (neuro)vascular symptoms in COVID-19 patients. Our study serves as a publicly available single-cell atlas of SARS-CoV-2 related entry factors and interaction partners in human and mouse brain endothelial- and perivascular cells, which can be employed for future studies in clinical samples of COVID-19 patients.

Abstract A broad range of brain pathologies critically relies on the vasculature, and cerebrovascular disease is a leading cause of death worldwide. However, the cellular and molecular architecture of the human brain vasculature remains incompletely understood 1 . Here we performed single-cell RNA sequencing analysis of 606,380 freshly isolated endothelial cells, perivascular cells and other tissue-derived cells from 117 samples, from 68 human fetuses and adult patients to construct a molecular atlas of the developing fetal, adult control and diseased human brain vasculature. We identify extensive molecular heterogeneity of the vasculature of healthy fetal and adult human brains and across five vascular-dependent central nervous system (CNS) pathologies, including brain tumours and brain vascular malformations. We identify alteration of arteriovenous differentiation and reactivated fetal as well as conserved dysregulated genes and pathways in the diseased vasculature. Pathological endothelial cells display a loss of CNS-specific properties and reveal an upregulation of MHC class II molecules, indicating atypical features of CNS endothelial cells. Cell–cell interaction analyses predict substantial endothelial-to-perivascular cell ligand–receptor cross-talk, including immune-related and angiogenic pathways, thereby revealing a central role for the endothelium within brain neurovascular unit signalling networks. Our single-cell brain atlas provides insights into the molecular architecture and heterogeneity of the developing, adult/control and diseased human brain vasculature and serves as a powerful reference for future studies.

ABSTRACT Glioblastoma (GBM) is amongst the deadliest human cancers and is characterized by high levels of vascularisation. Angiogenesis is highly dynamic during brain development and almost quiescent in the adult brain, but is reactivated in vascular-dependent CNS pathologies such as brain tumors. Nucleolin (NCL) is a known regulator of cell proliferation and angiogenesis, but its roles on physiological and pathological brain vasculature remain unknown. Here, we studied the expression of Nucleolin in the neurovascular unit (NVU) in human fetal brains and human gliomas in vivo as well as its effects on sprouting angiogenesis and endothelial metabolism in vitro . Nucleolin is highly expressed in endothelial- and perivascular cells during brain development, downregulated in the adult brain, and upregulated in glioma. Moreover, Nucleolin expression in tumor- and blood vessel cells correlated with glioma malignancy in vivo . In culture, siRNA-mediated NCL knockdown reduced human umbilical vein endothelial cell (HUVEC) sprouting angiogenesis, proliferation and filopodia extension, and reduced glucose metabolism. Mechanistically, RNA sequencing of Nucleolin knockdown in HUVECs revealed a putative p53-TIGAR-HK2 regulation of endothelial glycolysis. These findings identify Nucleolin as a neurodevelopmental factor reactivated in glioma that positively regulates sprouting angiogenesis and endothelial metabolism. Our findings have important implications in therapeutic targeting of glioma.

Arteriovenous malformations (AVMs) are vascular malformations that are prone to rupturing and can cause significant morbidity and mortality in relatively young patients. Conventional treatment options such as surgery and endovascular therapy often are insufficient for cure. There is a growing body of knowledge on the genetic and molecular underpinnings of AVM development and maintenance, making the future of precision medicine a real possibility for AVM management. Here, we review the pathophysiology of AVM development across various cell types, with a focus on current and potential druggable targets and their therapeutic potentials in both sporadic and familial AVM populations.