Despite extensive study, few therapeutic targets have been identified for glioblastoma (GBM). Here we show that patient-derived glioma sphere cultures (GSCs) that resemble either the proneural (PN) or mesenchymal (MES) transcriptomal subtypes differ significantly in their biological characteristics. Moreover, we found that a subset of the PN GSCs undergoes differentiation to a MES state in a TNF-α/NF-κB-dependent manner with an associated enrichment of CD44 subpopulations and radioresistant phenotypes. We present data to suggest that the tumor microenvironment cell types such as macrophages/microglia may play an integral role in this process. We further show that the MES signature, CD44 expression, and NF-κB activation correlate with poor radiation response and shorter survival in patients with GBM.

Recent molecular classification of glioblastoma (GBM) has shown that patients with a mesenchymal (MES) gene expression signature exhibit poor overall survival and treatment resistance. Using regulatory network analysis of available expression microarray data sets of GBM, including The Cancer Genome Atlas (TCGA), we identified the transcriptional coactivator with PDZ-binding motif (TAZ), to be highly associated with the MES network. TAZ expression was lower in proneural (PN) GBMs and lower-grade gliomas, which correlated with CpG island hypermethylation of the TAZ promoter compared with MES GBMs. Silencing of TAZ in MES glioma stem cells (GSCs) decreased expression of MES markers, invasion, self-renewal, and tumor formation. Conversely, overexpression of TAZ in PN GSCs as well as murine neural stem cells (NSCs) induced MES marker expression and aberrant osteoblastic and chondrocytic differentiation in a TEAD-dependent fashion. Using chromatin immunoprecipitation (ChIP), we show that TAZ is directly recruited to a majority of MES gene promoters in a complex with TEAD2. The coexpression of TAZ, but not a mutated form of TAZ that lacks TEAD binding, with platelet-derived growth factor-B (PDGF-B) resulted in high-grade tumors with MES features in a murine model of glioma. Our studies uncover a direct role for TAZ and TEAD in driving the MES differentiation of malignant glioma.

Unresectable glioblastoma (GBM) cells in the invading tumor edge can act as seeds for recurrence. The molecular and phenotypic properties of these cells remain elusive. Here, we report that the invading edge and tumor core have two distinct types of glioma stem-like cells (GSCs) that resemble proneural (PN) and mesenchymal (MES) subtypes, respectively. Upon exposure to ionizing radiation (IR), GSCs, initially enriched for a CD133+ PN signature, transition to a CD109+ MES subtype in a C/EBP-β-dependent manner. Our gene expression analysis of paired cohorts of patients with primary and recurrent GBMs identified a CD133-to-CD109 shift in tumors with an MES recurrence. Patient-derived CD133−/CD109+ cells are highly enriched with clonogenic, tumor-initiating, and radiation-resistant properties, and silencing CD109 significantly inhibits these phenotypes. We also report a conserved regulation of YAP/TAZ pathways by CD109 that could be a therapeutic target in GBM.

Glioblastomas (GBMs) are tumors of the central nervous system that remain recalcitrant to both standard of care chemo-radiation and immunotherapies. Emerging approaches to treat GBMs include depletion or re-education of innate immune cells including microglia (MG) and macrophages (MACs). Here we show myeloid cell restricted expression of triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) across low- and high-grade human gliomas. TREM2 expression did not correlate with immunosuppressive pathways, but rather showed strong positive association with phagocytosis markers such as lysozyme (LYZ) and CD163 in gliomas. In line with these observations in patient tumors, Trem2-/- mice did not exhibit improved survival compared to wildtype (WT) mice when implanted with mouse glioma cell lines, unlike observations previously seen in peripheral tumor models. Gene expression profiling revealed pathways related to inflammation, adaptive immunity, and autophagy that were significantly downregulated in tumors from Trem2-/- mice compared to WT tumors. Using ZsGreen-expressing CT-2A orthotopic implants, we found higher tumor antigen engulfment in Trem2+ MACs, MG, and dendritic cells. Our data uncover TREM2 as an important immunomodulator in gliomas and inducing TREM2 mediated phagocytosis can be a potential immunotherapeutic strategy for brain tumors.

The DNA damage response (DDR) and the blood-tumor barrier (BTB) restrict chemotherapeutic success for primary brain tumors like glioblastomas (GBMs). Coherently, GBMs almost invariably relapse with fatal outcomes. Here, we show that the interaction of GBM and myeloid cells simultaneously induces chemoresistance on the genetic and vascular levels by activating GP130 receptor signaling, which can be addressed therapeutically. We provide data from transcriptomic and immunohistochemical screens with human brain material and pharmacological experiments with a humanized organotypic GBM model, proteomics, transcriptomics, and cell-based assays and report that nanomolar concentrations of the signaling peptide humanin promote temozolomide (TMZ) resistance through DDR activation. GBM mouse models recapitulating intratumoral humanin release show accelerated BTB formation. GP130 blockade attenuates both DDR activity and BTB formation, resulting in improved preclinical chemotherapeutic efficacy. Altogether, we describe an overarching mechanism for TMZ resistance and outline a translatable strategy with predictive markers to improve chemotherapy for GBMs.