Summary Triple negative breast cancer (TNBC) is a highly heterogeneous set of diseases that has, until recently, lacked any FDA-approved, molecularly targeted therapeutics. Thus, systemic chemotherapy regimens remain the standard of care for many. Unfortunately, even combination chemotherapy is ineffective for many TNBC patients, and side-effects can be severe or lethal. Identification of predictive biomarkers for chemotherapy response would allow for the prospective selection of responsive patients, thereby maximizing efficacy and minimizing unwanted toxicities. Here, we leverage a cohort of TNBC PDX models with responses to single-agent docetaxel or carboplatin to identify biomarkers predictive for differential response to these two drugs. To demonstrate their ability to function as a preclinical cohort, PDX were molecularly characterized using whole-exome DNA sequencing, RNAseq transcriptomics, and mass spectrometry-based total proteomics to show proteogenomic consistency with TCGA and CPTAC clinical samples. Focusing first on the transcriptome, we describe a network-based computational approach to identify candidate epithelial and stromal biomarkers of response to carboplatin ( MSI1, TMSB15A, ARHGDIB, GGT1, SV2A, SEC14L2, SERPINI1, ADAMTS20, DGKQ ) and docetaxel ( ITGA7, MAGED4, CERS1, ST8SIA2, KIF24, PARPBP) . Biomarker panels are predictive in PDX expression datasets (RNAseq and Affymetrix) for both taxane (docetaxel or paclitaxel) and platinum-based (carboplatin or cisplatin) response, thereby demonstrating both cross expression platform and cross drug class robustness. Biomarker panels were also predictive in clinical datasets with response to cisplatin or paclitaxel, thus demonstrating translational potential of PDX-based preclinical trials. This network-based approach is highly adaptable and can be used to evaluate biomarkers of response to other agents.

ABSTRACT Protein kinases are frequently dysregulated and/or mutated in cancer and represent essential targets for therapy. Accurate quantification is essential, but current approaches are inadequate. For breast cancer treatment for example, the identification and quantification of the protein kinase ERBB2 is critical for therapeutic decisions. While immunohistochemistry (IHC) is the current clinical diagnostic approach, it is only semiquantitative. Mass spectrometry-based proteomics offers more quantitative assays that, unlike IHC, can be used to accurately evaluate hundreds of kinases simultaneously. The enrichment of less abundant kinase targets for quantification, along with depletion of interfering proteins, improves sensitivity and thus promotes more effective downstream analyses. Multiple kinase inhibitors were therefore deployed as a capture matrix for kinase inhibitor pulldown (KiP) assays designed to profile the human protein kinome as broadly as possible. Optimized assays were initially evaluated in 16 patient derived xenograft models (PDX) where KiP identified multiple differentially expressed and biologically relevant kinases. From these analyses, an optimized single-shot parallel reaction monitoring (PRM) method was developed to improve quantitative fidelity. The PRM KiP approach was then reapplied to low quantities of proteins typical of protein yields from core needle biopsies of human cancers. The initial prototype targeting 100 kinases recapitulated intrinsic subtyping of PDX models obtained from comprehensive proteomic and transcriptomic profiling. Luminal and HER2 enriched OCT-frozen patient biopsies subsequently analyzed through KiP-PRM also clustered by subtype. Finally, stable isotope labeled peptide standards were developed to define a prototype clinical method.

Cancer proteogenomics integrates genomics, transcriptomics and mass spectrometry (MS)-based proteomics to gain insights into cancer biology and treatment efficacy. A proteogenomics approach was therefore developed for frozen core biopsies using tissue-sparing specimen processing with a “microscaled” proteomics workflow. For technical proof-of-principle, biopsies from ERBB2 positive breast cancers before and 48-72 hours after the first dose of neoadjuvant trastuzumab-based chemotherapy were analyzed. ERBB2 protein and phosphosite levels, as well as mTOR target phosphosites, were significantly more suppressed upon treatment in cases associated with pathological complete response, suggesting MS-based pharmacodynamics is achievable. Furthermore, integrated analyses indicated potential causes of treatment resistance including the absence of ERBB2 amplification (false-ERBB2 positive) and insufficient ERBB2 activity for therapeutic sensitivity despite ERBB2 amplification (pseudo-ERBB2 positive). Candidate resistance features in true-ERBB2+ cases, including androgen receptor signaling, mucin expression and an inactive immune microenvironment were observed. Thus, proteogenomic analysis of needle core biopsies is feasible and clinical utility should be investigated.

BRG1 (SMARCA4) and BRM (SMARCA2) are the core ATPases of chromatin remodeling BAF (BRG1/BRM-associated factor) complexes, which enable transcription factors/co-factors to modulate gene-expressions, mediating growth, differentiation-arrest and survival of AML cells. In AML with MLL1r (MLL1 rearrangement) or mutant (mt) NPM1, although monotherapy with Menin inhibitor (MI) induces clinical remissions, most patients either fail to respond or relapse. FHD-286 is a selective BRG1/BRM inhibitor, undergoing clinical development in AML. Here, FHD-286 induced differentiation and lethality in AML cells with MLL1r or mtNPM1, reducing chromatin accessibility and repressing c-Myc, PU.1 and CDK4/6. Whereas FHD-286 monotherapy reduced AML burden, leukemia-initiating potential and improved survival, FHD-286 combinations with MI, BET inhibitor, decitabine or venetoclax was significantly more effective in reducing AML burden and improved survival, without significant toxicity, in xenograft models of AML with MLL1r or mtNPM1. These findings highlight promising FHD-286-based combinations for therapy of AML with MLL1r or mtNPM1.

We previously showed that NUDT21 -spanning copy-number variations (CNVs) are associated with intellectual disability (ID) (Gennarino et al., 2015). However, the patients' CNVs also spanned multiple other genes. To determine if reduced NUDT21 function alone is sufficient to cause disease, we generated Nudt21 +/- mice to mimic the human state of reduced expression. We found that although these mice have 50% reduced Nudt21 mRNA, they only have 30% less of its cognate protein, CFIm25. Despite this partial protein-level compensation, the Nudt21 +/- mice have learning deficits and cortical hyperexcitability. Further, to determine the molecular mechanism driving neural dysfunction, we partially inhibited NUDT21 in human embryonic stem cell-derived neurons to reduce CFIm25 by 30%. This reduction in CFIm25 was sufficient to induce misregulated alternative polyadenylation (APA) and protein levels in hundreds of genes, dozens of which cause intellectual disability when mutated. Altogether, these results indicate that disruption of NUDT21 -regulated APA events in the brain can cause intellectual disability.

The prevailing model of microRNA function is that the "seed" region (nucleotides 2-8) is typically sufficient to mediate target recognition and repression. However, numerous recent studies have challenged this model, either by demonstrating extensive 3' pairing between physically defined miRNA-mRNA pairs or by showing in C. elegans that disrupted 3' pairing can result in impaired function in vivo. To test the importance of miRNA 3' pairing in a mammalian system in vivo, we engineered a mutant murine mir-146a allele in which the 5' half of the mature microRNA retains its wild-type sequence, but the 3' half has been altered to be anti-complementary. Mice homozygous or hemizygous for this mutant allele are phenotypically indistinguishable from wild-type controls and do not recapitulate any of the immunopathology previously described for mir-146a-null mice. Our results indicate that 3' pairing is dispensable for the established myeloid function of this key mammalian microRNA.

Overexpression of the CREM (cAMP response element-binding modulator) isoform CREM-IbΔC-X in transgenic mice (CREM-Tg) causes the age-dependent development of spontaneous AF.To identify key proteome signatures and biological processes accompanying the development of persistent AF through integrated proteomics and bioinformatics analysis.Atrial tissue samples from three CREM-Tg mice and three wild-type littermates were subjected to unbiased mass spectrometry-based quantitative proteomics, differential expression and pathway enrichment analysis, and protein-protein interaction (PPI) network analysis.A total of 98 differentially expressed proteins were identified. Gene ontology analysis revealed enrichment for biological processes regulating actin cytoskeleton organization and extracellular matrix (ECM) dynamics. Changes in ITGAV, FBLN5, and LCP1 were identified as being relevant to atrial fibrosis and remodeling based on expression changes, co-expression patterns, and PPI network analysis. Comparative analysis with previously published datasets revealed a shift in protein expression patterns from ion-channel and metabolic regulators in young CREM-Tg mice to profibrotic remodeling factors in older CREM-Tg mice. Furthermore, older CREM-Tg mice exhibited protein expression patterns that resembled those of humans with persistent AF.This study uncovered distinct temporal changes in atrial protein expression patterns with age in CREM-Tg mice consistent with the progressive evolution of AF. Future studies into the role of the key differentially abundant proteins identified in this study in AF progression may open new therapeutic avenues to control atrial fibrosis and substrate development in AF.

ABSTRACT Truncating mutations of the maternally imprinted, paternally expressed MAGEL2 gene are the predicted genetic cause of several rare neurodevelopmental disorders including Schaaf-Yang (SYS), Chitayat-Hall and Opitz Trigonocephaly C syndromes. MAGEL2 is also deleted or inactivated in Prader-Willi syndrome (PWS). Previous studies in mice have utilized Magel2 gene deletion models to examine the consequences of its absence. In this study, we report the generation, molecular validation, and phenotypic characterization of a novel rat model with a truncating Magel2 mutation generating a mutant peptide sequence more closely modeling variants associated with SYS-causing mutations. Within the hypothalamus, a brain region wherein mouse and human MAGEL2 is paternally-expressed, we demonstrate at the level of transcript and peptide detection that Magel2 in the rat exhibits a paternal, parent-of-origin effect. In the evaluation of behavioral features across several domains, juvenile Magel2 mutant rats display select alterations in anxiety-like behavior and sociability measures. Moreover, the analysis of peripheral organ systems detected alterations in body composition, cardiac structure and function, and breathing irregularities in Magel2 mutant rats. Several of these findings are concordant with reported mouse phenotypes, signifying the conservation of MAGEL2 function across rodent species for specific behavioral outcome measures. We conclude that our comprehensive analysis demonstrating impairments across multiple domains demonstrates the tractability of this model system for the study of truncating MAGEL2 mutations.

Protein synthesis is frequently dysregulated in cancer and selective inhibition of mRNA translation represents an attractive cancer therapy. Here, we show that therapeutically targeting the RNA helicase eIF4A by Zotatifin, the first-in-class eIF4A inhibitor, exerts pleiotropic effects on both tumor cells and the tumor immune microenvironment in a diverse cohort of syngeneic triple-negative breast cancer (TNBC) mouse models. Zotatifin not only suppresses tumor cell proliferation but also directly repolarizes macrophages towards an M1-like phenotype and inhibits neutrophil infiltration, which sensitizes tumors to immune checkpoint blockade. Mechanistic studies revealed that Zotatifin reprograms the tumor translational landscape, inhibits the translation of Sox4 and Fgfr1, and induces an interferon response uniformly across models. The induction of an interferon response is partially due to the inhibition of Sox4 translation by Zotatifin. A similar induction of interferon-stimulated genes was observed in breast cancer patient biopsies following Zotatifin treatment. Surprisingly, Zotatifin significantly synergizes with carboplatin to trigger DNA damage and an even heightened interferon response resulting in T cell-dependent tumor suppression. These studies identified a vulnerability of eIF4A in TNBC, potential pharmacodynamic biomarkers for Zotatifin, and provide a rationale for new combination regimens comprising Zotatifin and chemotherapy or immunotherapy as treatments for TNBC.