Summary To interrogate the factors driving therapy resistance in diffuse glioma, we collected and analyzed RNA and/or DNA sequencing data from temporally separated tumor pairs of 292 adult patients with IDH-wild-type or IDH-mutant glioma. Tumors recurred in distinct manners that were dependent on IDH mutation status and attributable to changes in histological feature composition, somatic alterations, and microenvironment interactions. Hypermutation and acquired CDKN2A deletions associated with an increase in proliferating stem-like malignant cells at recurrence in both glioma subtypes, reflecting active tumor growth. IDH-wild-type tumors were more invasive at recurrence, and their malignant cells exhibited increased expression of neuronal signaling programs that reflected a possible role for neuronal interactions in promoting glioma progression. Mesenchymal transition was associated with the presence of a specific myeloid cell state defined by unique ligand-receptor interactions with malignant cells. Collectively, our results uncover recurrence-associated changes that could be targetable to shape disease progression following initial diagnosis.

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.

Human gliomas are classified using isocitrate dehydrogenase (IDH) status as a prognosticator; however, the influence of genetic differences and treatment effects on ensuing immunity remains unclear.

Inactivating mutations in ATRX characterize large subgroups of malignant gliomas in adults and children. ATRX deficiency in glioma induces widespread chromatin remodeling, driving transcriptional shifts and oncogenic phenotypes. Effective strategies to therapeutically target these broad epigenomic sequelae remain undeveloped. We utilized integrated mulit-omics and the Broad Institute Connectivity Map (CMAP) to identify drug candidates that could potentially revert ATRX-deficient transcriptional changes. We then employed disease-relevant experimental models to evaluate functional phenotypes, coupling these studies with epigenomic profiling to elucidate molecular mechanim(s). CMAP analysis and transcriptional/epigenomic profiling implicated the Class III HDAC Sirtuin2 (Sirt2) as a central mediator of ATRX-deficient cellular phenotypes and a driver of unfavorable prognosis in ATRX-deficient glioma. Sirt2 inhibitors reverted Atrx-deficient transcriptional signatures in murine neuroprogenitor cells (mNPCs) and impaired cell migration in Atrx/ATRX-deficient mNPCs and human glioma stem cells (GSCs). While effects on cellular proliferation in these contexts were more modest, markers of senescence significantly increased, suggesting that Sirt2 inhibition promotes terminal differentiation in ATRX-deficient glioma. These phenotypic effects were accompanied by genome-wide shifts in enhancer-associated H3K27ac and H4K16ac marks, with the latter in particular demonstrating compelling transcriptional links to Sirt2-dependent phenotypic reversals. Motif analysis of these data identified the transcription factor KLF16 as a mediator of phenotype reversal in Atrx-deficient cells upon Sirt2 inhibition. Finally, Sirt2 inhibition impaired growth and increased senescence in ATRX-deficient GSCs in vivo . Our findings indicate that Sirt2 inhibition selectively targets ATRX-deficient gliomas through global chromatin remodeling, while demonstrating more broadly a viable approach to combat complex epigenetic rewiring in cancer.Our study demonstrates that SIRT2 inhibition promotes senescence in ATRX-deficient glioma model systems through global epigenomic remodeling, impacting key downstream transcriptional profiles.

Abstract Single-cell nanopore sequencing of full-length mRNAs (scNanoRNAseq) is transforming singlecell multi-omics studies. However, challenges include computational complexity and dependence on short-read curation. To address this, we developed a comprehensive toolkit, scNanoGPS to calculate same-cell genotypes-phenotypes without short-read guidance. We applied scNanoGPS onto 23,587 long-read transcriptomes from 4 tumors and 2 cell lines. Standalone, scNanoGPS accurately deconvoluted error-prone long-reads into single-cells and single-molecules. Further, scNanoGPS simultaneously accessed both phenotypes (expressions/isoforms) and genotypes (mutations) of individual cells. Our analyses revealed that tumor and stroma/immune cells often expressed significantly distinct combinations of isoforms (DCIs). In a kidney tumor, we identified 924 genes with DCIs involved in cell-type-specific functions such as PDE10A in tumor cells and CCL3 in lymphocytes. Moreover, transcriptome-wide mutation analyses identified many cell-type-specific mutations including VEGFA mutations in tumor cells and HLA-A mutations in immune cells, highlighting critical roles of different populations in tumors. Together, scNanoGPS facilitates applications of single-cell long-read sequencing.

Stimulating the innate immune system has been explored as a therapeutic option for the treatment of gliomas. Inactivating mutations in ATRX , defining molecular alterations in IDH -mutant astrocytomas, have been implicated in dysfunctional immune signaling. However, little is known about the interplay between ATRX loss and IDH mutation on innate immunity. To explore this, we generated ATRX knockout glioma models in the presence and absence of the IDH1 R132H mutation. ATRX-deficient glioma cells were sensitive to dsRNA-based innate immune agonism and exhibited impaired lethality and increased T-cell infiltration in vivo . However, the presence of IDH1 R132H dampened baseline expression of key innate immune genes and cytokines in a manner restored by genetic and pharmacological IDH1 R132H inhibition. IDH1 R132H co-expression did not interfere with the ATRX KO-mediated sensitivity to dsRNA. Thus, ATRX loss primes cells for recognition of dsRNA, while IDH1 R132H reversibly masks this priming. This work reveals innate immunity as a therapeutic vulnerability of astrocytoma.

Mutational inactivation of ATRX (α-thalassemia mental retardation X-linked) represents a defining molecular alteration in large subsets of malignant glioma. Yet the pathogenic consequences of ATRX deficiency remain unclear, as do tractable mechanisms for its therapeutic targeting. Here we report that ATRX loss in isogenic glioma model systems induces replication stress and DNA damage by way of G-quadruplex (G4) DNA secondary structure. Moreover, these effects are associated with the acquisition of disease-relevant copy number alterations over time. We then demonstrate, both in vitro and in vivo, that ATRX deficiency selectively enhances DNA damage and cell death following chemical G4 stabilization. Finally, we show that G4 stabilization synergizes with other DNA-damaging therapies, including ionizing radiation, in the ATRX-deficient context. Our findings reveal novel pathogenic mechanisms driven by ATRX deficiency in glioma, while also pointing to tangible strategies for drug development.

In Brief The co-deletion of MTAP in the CDKN2A locus is a frequent event in diverse cancers including glioblastoma. Recent publications report that significant accumulations of the MTAP substrate, methylthioadenosine (MTA), can sensitize MTAP -deleted cancer cells to novel inhibitors of PRMT5 and MAT2A for targeted therapy against tumors with this particular genetic alteration. In this work, using comprehensive metabolomic profiling, we show that MTA is primarily secreted, resulting in exceedingly high levels of extracellular MTA in vitro . We further show that primary human glioblastoma tumors minimally accumulate MTA in vivo , which is likely explained by the metabolism of MTA by MTAP -competent stromal cells. Together, these data challenge whether the metabolic conditions required for therapies to exploit vulnerabilities associated MTAP deletions are present in primary human tumors, questioning their translational efficacy in the clinic.Highlights SUMMARY Homozygous deletion of the CDK2NA locus frequently results in co-deletion of methylthioadenosine phosphorylase ( MTAP ) in many fatal cancers such as glioblastoma multiforme (GBM), resulting in elevations of the substrate metabolite, methylthioadenosine (MTA). To capitalize on such accumulations, therapeutic targeting of protein arginine methyltransferase 5 (PRMT5) and methionine adenosyl transferase (MAT2A) are ongoing. While extensively corroborated in vitro , the clinical efficacy of these strategies ultimately relies on equally significant accumulations of MTA in human tumors. Here, we show that in vitro accumulation of MTA is a predominately extracellular phenomenon, indicating secretion of MTA from MTAP -deleted cells. In primary human GBMs, we find that MTA levels are not significantly higher in MTAP -deleted compared to MTAP -intact tumors or normal brain tissue. Together, these findings highlight the metabolic discrepancies between in vitro models and primary human tumors and should thus be carefully considered in the development of the precision therapies targeting MTAP -homozygous deleted GBM.

Abstract Glioblastoma (GBM) is a malignant brain cancer that contains sub-populations of highly invasive tumor cells that drive progression and recurrence after surgery and radiochemotherapy. The exact mechanisms that enable GBM cells to disperse from the main tumor mass and navigate throughout the brain microenvironment remain largely unknown. As a result, there is a lack of effective strategies to block cancer cell invasive growth in primary and recurrent GBM. Here we report that hepatocyte cell adhesion molecule (hepaCAM), which is normally expressed in perivascular astrocytes, plays central roles in controlling the invasive growth features of GBM cells. Genetically targeting HEPACAM induces a transition from GBM cell proliferation/self-renewal to invasion. Increased invasion is due, in part, to an activation of focal adhesion signaling pathways and enhanced GBM cell adhesion to the extracellular matrix (ECM) in the brain microenvironment. Transcriptional profiling of GBM cells reveals various HEPACAM-regulated genes with links to polarity and invasion. Collectively, these data show that hepaCAM balances ECM adhesion and signaling pathways to control cancer cell proliferation versus invasion in the brain parenchyma. Targeting select components of the hepaCAM pathway may be an effective way to block tumor progression and recurrence in patients with GBM.

Tumor growth is a spatiotemporal birth-and-death process with loss of heterotypic contact-inhibition of locomotion (CIL) of tumor cells promoting invasion and metastasis. Therefore, representing tumor cells as two-dimensional points, we can expect the tumor tissues in histology slides to reflect realizations of spatial birth-and-death process which can be mathematically modeled to reveal molecular mechanisms of CIL, provided the mathematics models the inhibitory interactions. Gibbs process as an inhibitory point process is a natural choice since it is an equilibrium process of the spatial birth-and-death process. That is if the tumor cells maintain homotypic contact inhibition, the spatial distributions of tumor cells will result in Gibbs hard core process over long time scales. In order to verify if this is the case, we applied the Gibbs process to 411 TCGA Glioblastoma multiforme patient images. Our imaging dataset included all cases for which diagnostic slide images were available.The model revealed two clusters, one of which - the “Gibbs cluster,” showed the convergence of the Gibbs process with significant survival difference. Further smoothing the discretized (and noisy) inhibition metric, for both increasing and randomized survival time, we found a significant association of the patients in the Gibbs cluster with increasing survival time. The mean inhibition metric also revealed the point at which the homotypic CIL establishes in tumor cells. Besides, RNAseq analysis between patients with loss of heterotypic CIL and intact homotypic CIL in the Gibbs cluster unveiled cell movement gene signatures and differences in Actin cytoskeleton and RhoA signaling pathways as key molecular alterations. These genes and pathways have established roles in CIL. Taken together, our integrated analysis of patient images and RNAseq data provides for the first time a mathematical basis for CIL in tumors, explains survival as well as uncovers the underlying molecular landscape for this key tumor invasion and metastatic phenomenon.