Neuroblastoma is a highly lethal childhood tumor derived from differentiation-arrested neural crest cells. Like all cancers, its growth is fueled by metabolites obtained from either circulation or local biosynthesis. Neuroblastomas depend on local polyamine biosynthesis, with the inhibitor difluoromethylornithine showing clinical activity. Here we show that such inhibition can be augmented by dietary restriction of upstream amino acid substrates, leading to disruption of oncogenic protein translation, tumor differentiation, and profound survival gains in the TH-MYCN mouse model. Specifically, an arginine/proline-free diet decreases the polyamine precursor ornithine and augments tumor polyamine depletion by difluoromethylornithine. This polyamine depletion causes ribosome stalling, unexpectedly specifically at adenosine-ending codons. Such codons are selectively enriched in cell cycle genes and low in neuronal differentiation genes. Thus, impaired translation of these codons, induced by the diet-drug combination, favors a pro-differentiation proteome. These results suggest that the genes of specific cellular programs have evolved hallmark codon usage preferences that enable coherent translational rewiring in response to metabolic stresses, and that this process can be targeted to activate differentiation of pediatric cancers.

ABSTRACT Most cancer deaths result from progression of therapy resistant disease, yet our understanding of this phenotype is limited. Cancer therapies generate stress signals that act upon mitochondria to initiate apoptotic programs. We isolated mitochondria from neuroblastoma cell lines obtained from children at diagnosis and after relapse following failed therapy, and profiled responses to tBid and Bim, death effectors activated by therapeutic stress. Mitochondria from post-relapse models had markedly attenuated cytochrome c release (surrogate for apoptotic commitment) in comparison with patient-matched diagnostic models. Mitochondrial DNA content, size, and shape did not differ consistently. However, we used electron microscopy to identify reduced endoplasmic reticulum-mitochondria contacts (ERMCs) as correlated with therapy resistance. ERMCs form microdomains for the transfer of Ca 2+ to mitochondria. We confirmed reduced Ca 2+ transfer in resistant cells, with restoration by re-opposing ERMCs via genetically-encoded linkers. However, reduced Ca 2+ transfer was not present in all ERMC-reduced cancers with therapy resistance, supporting Ca 2+ -independent mechanisms. Genetically or biochemically reducing ERMCs in therapy sensitive tumors phenocopied resistance, validating these inter-organelle contacts as physiologic regulators of apoptosis. Our work confirms the importance of ERMCs in stress signaling and provides a previously unrecognized mechanism for cancer cell resistance that is not exclusive to other contributors.

ABSTRACT Background Neuroblastoma is a commonly lethal solid tumor of childhood and intensive chemoradiotherapy treatment cures ~50% of children with high-risk disease. The addition of immunotherapy using dinutuximab, a monoclonal antibody directed against the GD2 disialoganglioside expressed on neuroblasts, improves survival when incorporated into front-line therapy and shows robust activity in regressing relapsed disease when combined with chemotherapy. Still, many children succumb to neuroblastoma despite receiving dinutuximab-based immunotherapy, and efforts to counteract the immune suppressive signals responsible are warranted. Animal models of human cancers provide useful platforms to study immunotherapies. TH-MYCN transgenic mice are immunocompetent and develop neuroblastomas at autochthonous sites due to enforced MYCN expression in developing neural crest tissues. However, GD2-directed immunotherapy in this model has been underutilized due to the prevailing notion that TH-MYCN neuroblasts express insufficient GD2 to be targeted. Methods TH-MYCN mice were treated with 14G2a (anti-GD2 antibody), isotype antibody, or phosphate buffered saline from day 14 of life until day 100 or signs of morbidity. Survival was recorded, and tumors were isolated in terminal surgeries for analysis of GD2 expression and immune cell frequencies. Tumors from untreated mice were explanted for generation into cell lines, and GD2 expression was recorded with serial passage in tissue culture. Immunocytology and immunoblotting were performed to evaluate for adrenergic and mesenchymal markers of neuroblasts. Survival curves compared using Kaplan-Meier method with a log-rank test for significance. Unpaired two-tailed Student’s t -tests used for comparison of groups in flow cytometry analysis. Results 14G2a markedly extends survival in such TH-MYCN mice. Additionally, neuroblasts in 14G2a-treated mice have reduced GD2 expression and fewer macrophage and myeloid-derived suppressor cells in their tumor microenvironments. Neuroblasts in TH-MYCN -driven tumors express GD2 at levels comparable to human neuroblastomas but rapidly lose GD2 expression when explanted ex vivo to establish tumor cell lines. The loss of GD2 expression ex vivo is associated with a transition from an adrenergic to mesenchymal state that is maintained when reimplanted in vivo. Conclusions Our findings support the utility of the TH-MYCN model to inform GD2-directed immunotherapy approaches for neuroblastoma as well as opportunities to investigate drivers of adrenergic to mesenchymal fate decisions.