PURPOSE More than 90% of Ewing's sarcomas (ES) contain a fusion of the EWS and FLI1 genes, due to the t(11;22)(q24;q12) translocation. At the molecular level, the EWS-FLI1 rearrangements show great diversity. Specifically, many different combinations of exons from EWS and FLI1 encode in-frame fusion transcripts and result in differences in the length and composition of the chimeric protein, which functions as an oncogenic aberrant transcription factor. In the most common fusion type (type 1), EWS exon 7 is linked in frame with exon 6 of FLI1. As the fundamental pathogenetic lesion in ES, the molecular heterogeneity of these fusion transcripts may have functional and clinical significance. PATIENTS AND METHODS We performed a clinical and pathologic analysis of 112 patients with ES in which EWS-FLI1 fusion transcripts were identified by reverse-transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR). Adequate treatment and follow-up data were available in 99 patients treated with curative intent. Median follow-up in these 99 patients was 26 months (range, 1 to 140 months). Univariate and multivariate survival analyses were performed that included other prognostic factors, such as age, tumor location, size, and stage. RESULTS Among the 99 patients suitable for survival analysis, the tumors in 64 patients contained the type 1 fusion and in 35 patients contained less common fusion types. Stage at presentation was localized in 74 patients and metastatic in 25. Metastases (relative risk [RR] = 2.6; P = .008), and type 1 EWS-FLI1 fusion (RR = 0.37; P = .014) were, respectively, independent negative and positive prognostic factors for overall survival by multivariate analysis. Among 74 patients with localized tumors, the type 1 EWS-FLI1 fusion was also a significant positive predictor of overall survival (RR = 0.32; P = .034) by multivariate analysis. CONCLUSION EWS-FLI1 fusion type appears to be prognostically relevant in ES, independent of tumor site, stage, and size. Further studies are needed to clarify the biologic basis of this phenomenon.

Ewing sarcoma is an aggressive paediatric cancer of the bone and soft tissue. It results from a chromosomal translocation, predominantly t(11;22)(q24:q12), that fuses the N-terminal transactivation domain of the constitutively expressed EWSR1 protein with the C-terminal DNA binding domain of the rarely expressed FLI1 protein. Ewing sarcoma is highly sensitive to genotoxic agents such as etoposide, but the underlying molecular basis of this sensitivity is unclear. Here we show that Ewing sarcoma cells display alterations in regulation of damage-induced transcription, accumulation of R-loops and increased replication stress. In addition, homologous recombination is impaired in Ewing sarcoma owing to an enriched interaction between BRCA1 and the elongating transcription machinery. Finally, we uncover a role for EWSR1 in the transcriptional response to damage, suppressing R-loops and promoting homologous recombination. Our findings improve the current understanding of EWSR1 function, elucidate the mechanistic basis of the sensitivity of Ewing sarcoma to chemotherapy (including PARP1 inhibitors) and highlight a class of BRCA-deficient-like tumours.

Abstract Glioblastoma multiforme (GBM) is an aggressive primary brain tumor, with poor prognosis. Major obstacles hampering effective therapeutic response in GBM are tumor heterogeneity, high infiltration of immunosuppressive myeloid cells, and the presence of the blood-brain barrier. The C-X-C Motif Chemokine Ligand 12/ C-X-C Motif Chemokine Receptor 4 (CXCL12/ CXCR4) signaling pathway is implicated in GBM invasion and cell cycle progression. While the CXCR4 antagonists (AMD3100) has a potential anti-GBM effects, its poor pharmacokinetic and systemic toxicity had precluded its clinical application. Moreover, the role of CXCL12/ CXCR4 signaling pathway in anti-GBM immunity, particularly in GBM-mediated immunosuppression has not been elucidated. Here, we developed a synthetic protein nanoparticle (SPNPs) coated with the cell-penetrating peptide iRGD (AMD3100 SPNPs) to target the CXCR4/CXCL12 signaling axis in GBM. We showed that AMD3100 SPNPs effectively blocked CXCR4 signaling in mouse and human GBM cells in vitro as well as in GBM model in vivo . This results in inhibition of GBM proliferation and induction of immunogenic tumor cell death (ICD) leading to inhibition of GBM progression. Our data also demonstrate that blocking CXCR4 sensitizes GBM cells to radiation, eliciting enhanced release of ICD ligands. Combining AMD3100 SPNPs with radiotherapy inhibited GBM progression and led to long-term survival; with 60% of mice remaining tumor-free. This was accompanied by an anti-GBM immune response and sustained immunological memory that prevented tumor recurrence without further treatment. Finally, we showed that systemic delivery of AMD3100 SPNPs decreased the infiltration of CXCR4 + monocytic myeloid-derived suppressor cells to the tumor microenvironment. With the potent ICD induction and reprogrammed immune microenvironment, this strategy has significant potential for future clinical translation. Graphical abstract Immunological mechanism targeting Glioblastoma (GBM) upon blocking CXCR4 signaling pathway with AMD3100-conjugated nanoparticles (SPNPs). (1) Radiotherapy induces glioma cell death, followed by Damage-associated molecular patterns (DAMPs) release. Dendritic cells (DC) are activated by DAMPs and migrate to the regional lymph node where they prime cytotoxic T lymphocyte immune response. Tumor-specific cytotoxic T cells infiltrate the tumor and attack glioma cells. (2) Glioma cells express CXCR4, as well its ligand CXCL12. CXCL12 induces glioma cell proliferation and, (3) as well as mobilization in the bone marrow of CXCR4 expressing myeloid MDSC, which will infiltrate the tumor, and inhibit tumor-specific cytotoxic T cells activity. GEMM of glioma when treated systemically with SPNPs AMD3100 SPNPs plus radiation, nanoparticles block the interaction between CXCR4 and CXCL12, thus (4) inhibiting glioma cell proliferation and (5) reducing mobilization in the bone marrow of CXCR4 expressing myeloid MDSC, (6) generating a reduced MDSC tumor infiltration, as well as releasing MDSC inhibition over tumor specific cytotoxic T cell response.

Adrenocortical carcinoma (ACC) is a rare cancer in which tissue-specific differentiation is paradoxically associated with dismal outcomes. The differentiated ACC subtype CIMP-high is prevalent, incurable, and routinely fatal. CIMP-high ACC possess abnormal DNA methylation and frequent β-catenin activating mutations. Here, we demonstrate that ACC differentiation is maintained by a balance between nuclear, tissue-specific β-catenin-containing complexes and the epigenome. On chromatin, β-catenin binds master adrenal transcription factor SF1 and hijacks the adrenocortical super-enhancer landscape to maintain differentiation. Off chromatin, β-catenin binds histone methyltransferase EZH2, which is redistributed by the CIMP-high DNA methylation signature. SF1/β-catenin and EZH2/β-catenin complexes exist in normal adrenals and are selected for through all phases of ACC evolution. Pharmacologic EZH2 inhibition in CIMP-high ACC favors EZH2/β-catenin assembly and purges SF1/β-catenin from chromatin, erasing differentiation and restraining cancer growth in vitro and in vivo . Our studies illustrate how tissue-specific programs shape oncogene selection, surreptitiously encoding targetable therapeutic vulnerabilities.

Tumor heterogeneity is a major driver of cancer progression. In epithelial-derived malignancies, carcinoma-associated fibroblasts (CAFs) contribute to tumor heterogeneity by depositing extracellular matrix (ECM) proteins that dynamically remodel the tumor microenvironment (TME). Ewing sarcomas (EwS) are histologically monomorphous, mesenchyme-derived tumors that are devoid of CAFs. Here we identify a previously uncharacterized subpopulation of transcriptionally distinct EwS tumor cells that deposit pro-tumorigenic ECM. Single cell analyses revealed that these CAF-like cells differ from bulk EwS cells by their upregulation of a matrisome-rich gene signature that is normally repressed by EWS::FLI1, the oncogenic fusion transcription factor that underlies EwS pathogenesis. Further, our studies showed that ECM-depositing tumor cells express the cell surface marker CD73, allowing for their isolation ex vivo and detection in situ. Spatial profiling of tumor xenografts and patient biopsies demonstrated that CD73 + EwS cells and tumor cell-derived ECM are prevalent along tumor borders and invasive fronts. Importantly, despite loss of EWS::FLI1-mediated gene repression, CD73 + EwS cells retain expression of EWS::FLI1 and the fusion-activated gene signature, as well as tumorigenic and proliferative capacities. Thus, EwS tumor cells can be reprogrammed to adopt CAF-like properties and these transcriptionally and phenotypically distinct cell subpopulations contribute to tumor heterogeneity by remodeling the TME.

Abstract Oncogenic fusion proteins display exquisite tissue specificity, revealing that malignant transformation requires cooperation with cell-autonomous factors. Recent studies have also demonstrated that tumorigenicity of Ewing sarcoma requires precise regulation of the transcriptional activity of the EWS-FLI1 oncogenic driver. Here we show that the developmentally and anatomically restricted transcription factor HOXD13 is a direct target of EWS-FLI1. Transcriptomic and CUT&RUN studies revealed that HOXD13 binds active, fusion-bound enhancers, resulting in altered expression of EWS-FLI1-induced targets. More strikingly, HOXD13 was found to bind and activate cis-regulatory regions of genes that are normally repressed by EWS-FLI1. Single-cell sequencing demonstrated marked intra-tumoral heterogeneity of HOXD13 transcriptional activity and revealed that antagonism between HOXD13-mediated gene activation and EWS-FLI1-dependent gene repression confers a spectrum of transcriptional cell states along a mesenchymal axis. Thus, HOXD13 serves as an internal rheostat for EWS-FLI1 activity, providing a paradigm for tissue-specific transcription factors as critical partners in fusion-driven cancers.

Single-cell analyses provide insight into time dependent behaviors in response to dynamic changes of oncogene expression. We developed an unbiased approach to study gene expression variation using a model of cellular dormancy induced via EWSR1-FLI1 down-regulation in Ewing sarcoma (EWS) cells. We propose that variation in the expression of EWSR1-FLI1 over time determines cellular responses. Cell state and functions were assigned using random forest feature selection in combination with machine learning. Notably, three distinct expression profiles were uncovered contributing to Ewing sarcoma cell heterogeneity. Our predictive model identified ~1% cells in a dormant-like state and ~2-4% with higher stem-like and neural stem-like features in an exponentially proliferating EWS cell line and EWS xenografts. Following oncogene knockdown, cells re-entering the proliferative cycle have greater stem-like properties, whereas for those remaining quiescent, FAM134B-dependent dormancy provides a survival mechanism. We also show cell cycle heterogeneity related to EWSR1-FLI1 expression as an independent feature driving cancer heterogeneity, and drug resistance. SIGNIFICANCE: We show that time-dependent changes induced by suppression of oncogenic EWSR1-FLI1 induces dormancy, with different subpopulation dynamics, including stem-like characteristics and prolonged dormancy. Cells with these characteristics are identified in exponentially growing cell populations and confer drug resistance, and could potentially contribute to metastasis or late recurrence in patients.