Randal S. Tibbetts, Kathryn M. Brumbaugh, Josie M. Williams, Jann N. Sarkaria, William A. Cliby, Sheau-Yann Shieh, Yoichi Taya, Carol Prives, and Robert T. Abraham Department of Pharmacology and Cancer Cell Biology, Duke University, Durham, North Carolina 27710 USA; Division of Oncology Research, Mayo Clinic and Foundation, Rochester, Minnesota 55902 USA; Department of Biological Sciences, Columbia University, New York, New York 10027 USA; National Cancer Center Research Institute, Tokyo, Japan

Recent studies have identified a Lys 27-to-methionine (K27M) mutation at one allele of H3F3A , one of the two genes encoding histone H3 variant H3.3, in 60% of high-grade pediatric glioma cases. The median survival of this group of patients after diagnosis is ∼1 yr. Here we show that the levels of H3K27 di- and trimethylation (H3K27me2 and H3K27me3) are reduced globally in H3.3K27M patient samples due to the expression of the H3.3K27M mutant allele. Remarkably, we also observed that H3K27me3 and Ezh2 (the catalytic subunit of H3K27 methyltransferase) at chromatin are dramatically increased locally at hundreds of gene loci in H3.3K27M patient cells. Moreover, the gain of H3K27me3 and Ezh2 at gene promoters alters the expression of genes that are associated with various cancer pathways. These results indicate that H3.3K27M mutation reprograms epigenetic landscape and gene expression, which may drive tumorigenesis.

Poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors are strikingly toxic to cells with defects in homologous recombination (HR). The mechanistic basis for these findings is incompletely understood. Here, we show that PARP inhibitor treatment induces phosphorylation of DNA-dependent protein kinase substrates and stimulates error-prone nonhomologous end joining (NHEJ) selectively in HR-deficient cells. Notably, inhibiting DNA-dependent protein kinase activity reverses the genomic instability previously reported in these cells after PARP inhibition. Moreover, disabling NHEJ by using genetic or pharmacologic approaches rescues the lethality of PARP inhibition or down-regulation in cell lines lacking BRCA2, BRCA1, or ATM. Collectively, our results not only implicate PARP1 catalytic activity in the regulation of NHEJ in HR-deficient cells, but also indicate that deregulated NHEJ plays a major role in generating the genomic instability and cytotoxicity in HR-deficient cells treated with PARP inhibitors.

Brain tumor initiating cells (BTICs) are self-renewing, tumorigenic cells that often reside in a necrotic and hypoxic niche in the brain. Here the authors show that BTICs can become more tumorigenic upon glucose restriction and compensate for this cellular stress by upregulating their capacity to take up glucose. Like all cancers, brain tumors require a continuous source of energy and molecular resources for new cell production. In normal brain, glucose is an essential neuronal fuel, but the blood-brain barrier limits its delivery. We now report that nutrient restriction contributes to tumor progression by enriching for brain tumor initiating cells (BTICs) owing to preferential BTIC survival and to adaptation of non-BTICs through acquisition of BTIC features. BTICs outcompete for glucose uptake by co-opting the high affinity neuronal glucose transporter, type 3 (Glut3, SLC2A3). BTICs preferentially express Glut3, and targeting Glut3 inhibits BTIC growth and tumorigenic potential. Glut3, but not Glut1, correlates with poor survival in brain tumors and other cancers; thus, tumor initiating cells may extract nutrients with high affinity. As altered metabolism represents a cancer hallmark, metabolic reprogramming may maintain the tumor hierarchy and portend poor prognosis.

Temozolomide (TMZ)-based therapy is the standard of care for patients with glioblastoma multiforme (GBM), and resistance to this drug in GBM is modulated by the DNA repair protein O(6)-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT). Expression of MGMT is silenced by promoter methylation in approximately half of GBM tumors, and clinical studies have shown that elevated MGMT protein levels or lack of MGMT promoter methylation is associated with TMZ resistance in some, but not all, GBM tumors. In this study, the relationship between MGMT protein expression and tumor response to TMZ was evaluated in four GBM xenograft lines that had been established from patient specimens and maintained by serial subcutaneous passaging in nude mice. Three MGMT unmethylated tumors displayed elevated basal MGMT protein expression, but only two of these were resistant to TMZ therapy (tumors GBM43 and GBM44), while the other (GBM14) displayed a level of TMZ sensitivity that was similar in extent to that seen in a single MGMT hypermethylated line (GBM12). In tissue culture and animal studies, TMZ treatment resulted in robust and prolonged induction of MGMT expression in the resistant GBM43 and GBM44 xenograft lines, while MGMT induction was blunted and abbreviated in GBM14. Consistent with a functional significance of MGMT induction, treatment of GBM43 with a protracted low-dose TMZ regimen was significantly less effective than a shorter high-dose regimen, while survival for GBM14 was improved with the protracted dosing regimen. In conclusion, MGMT expression is dynamically regulated in some MGMT nonmethylated tumors, and in these tumors, protracted dosing regimens may not be effective.

Temozolomide (TMZ) was used for the treatment of glioblastoma (GBM) for over a decade, but its treatment benefits are limited by acquired resistance, a process that remains incompletely understood. Here we report that an enhancer, located between the promoters of marker of proliferation Ki67 (MKI67) and O6-methylguanine-DNA-methyltransferase (MGMT) genes, is activated in TMZ-resistant patient-derived xenograft (PDX) lines and recurrent tumor samples. Activation of the enhancer correlates with increased MGMT expression, a major known mechanism for TMZ resistance. We show that forced activation of the enhancer in cell lines with low MGMT expression results in elevated MGMT expression. Deletion of this enhancer in cell lines with high MGMT expression leads to a dramatic reduction of MGMT and a lesser extent of Ki67 expression, increased TMZ sensitivity, and impaired proliferation. Together, these studies uncover a mechanism that regulates MGMT expression, confers TMZ resistance, and potentially regulates tumor proliferation.

Abstract Background Glioblastoma (GBM) exhibits profound intratumoral genetic heterogeneity. Each tumor comprises multiple genetically distinct clonal populations with different therapeutic sensitivities. This has implications for targeted therapy and genetically informed paradigms. Contrast-enhanced (CE)-MRI and conventional sampling techniques have failed to resolve this heterogeneity, particularly for nonenhancing tumor populations. This study explores the feasibility of using multiparametric MRI and texture analysis to characterize regional genetic heterogeneity throughout MRI-enhancing and nonenhancing tumor segments. Methods We collected multiple image-guided biopsies from primary GBM patients throughout regions of enhancement (ENH) and nonenhancing parenchyma (so called brain-around-tumor, [BAT]). For each biopsy, we analyzed DNA copy number variants for core GBM driver genes reported by The Cancer Genome Atlas. We co-registered biopsy locations with MRI and texture maps to correlate regional genetic status with spatially matched imaging measurements. We also built multivariate predictive decision-tree models for each GBM driver gene and validated accuracies using leave-one-out-cross-validation (LOOCV). Results We collected 48 biopsies (13 tumors) and identified significant imaging correlations (univariate analysis) for 6 driver genes: EGFR, PDGFRA, PTEN, CDKN2A, RB1, and TP53. Predictive model accuracies (on LOOCV) varied by driver gene of interest. Highest accuracies were observed for PDGFRA (77.1%), EGFR (75%), CDKN2A (87.5%), and RB1 (87.5%), while lowest accuracy was observed in TP53 (37.5%). Models for 4 driver genes (EGFR, RB1, CDKN2A, and PTEN) showed higher accuracy in BAT samples (n = 16) compared with those from ENH segments (n = 32). Conclusion MRI and texture analysis can help characterize regional genetic heterogeneity, which offers potential diagnostic value under the paradigm of individualized oncology.

Significance Glioblastoma Multiforme (GBM) is the most common and deadliest primary brain tumor in adults. As the median survival is approximately 14 mo there is an urgent need for novel therapies. Epigenetic modulators such as bromodomain and extraterminal (BET) proteins are important therapeutic targets in GBM. Bromodomain inhibitors (including I-BET151) suppress proliferation by repressing oncogenes and inducing tumor suppressor genes through unidentified pathways. Here we demonstrate that HOTAIR (HOX transcript antisense RNA) is overexpressed in GBM, where it is crucial to sustain tumor cell proliferation, and that inhibition of HOTAIR by I-BET151 is necessary to induce cell cycle arrest in GBM cells. Our study outlines the mechanism of action underlying the antiproliferative activity of I-BET151, showing for the first time, to our knowledge, that the oncogenic long noncoding RNA HOTAIR is a major target.