A novel anti-microRNA delivery platform that targets the acidic tumour microenvironment, in which a chosen anti-miRNA is coupled to a peptide that can transport the anti-miRNA across cell membranes specifically in an acidic environment. The targeted silencing of certain aberrantly expressed microRNAs (miRNAs) — known as oncomiRs — may prove useful for cancer therapy if the silencing agents can be efficiently delivered to the tumours. Frank Slack and colleagues now exploit the generally acidic tumour environment by devising nanoparticle-based delivery vehicles in which a chosen anti-miR is coupled to a peptide that can transport the anti-miR across cell membranes specifically in an acidic environment. In a lymphoma mouse model, this formulation can specifically target anti-miR-155 to those tumours whose growth depends on miR-155 expression, reducing tumour growth and metastases without apparent toxicity to the mice. This approach should be widely applicable for targeting a variety of tumours with an anti-miR of choice. MicroRNAs are short non-coding RNAs expressed in different tissue and cell types that suppress the expression of target genes. As such, microRNAs are critical cogs in numerous biological processes1,2, and dysregulated microRNA expression is correlated with many human diseases. Certain microRNAs, called oncomiRs, play a causal role in the onset and maintenance of cancer when overexpressed. Tumours that depend on these microRNAs are said to display oncomiR addiction3,4,5. Some of the most effective anticancer therapies target oncogenes such as EGFR and HER2; similarly, inhibition of oncomiRs using antisense oligomers (that is, antimiRs) is an evolving therapeutic strategy6,7. However, the in vivo efficacy of current antimiR technologies is hindered by physiological and cellular barriers to delivery into targeted cells8. Here we introduce a novel antimiR delivery platform that targets the acidic tumour microenvironment, evades systemic clearance by the liver, and facilitates cell entry via a non-endocytic pathway. We find that the attachment of peptide nucleic acid antimiRs to a peptide with a low pH-induced transmembrane structure (pHLIP) produces a novel construct that could target the tumour microenvironment, transport antimiRs across plasma membranes under acidic conditions such as those found in solid tumours (pH approximately 6), and effectively inhibit the miR-155 oncomiR in a mouse model of lymphoma. This study introduces a new model for using antimiRs as anti-cancer drugs, which can have broad impacts on the field of targeted drug delivery.

2-Hydroxyglutarate (2HG) exists as two enantiomers, (R)-2HG and (S)-2HG, and both are implicated in tumor progression via their inhibitory effects on α-ketoglutarate (αKG)-dependent dioxygenases. The former is an oncometabolite that is induced by the neomorphic activity conferred by isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) and IDH2 mutations, whereas the latter is produced under pathologic processes such as hypoxia. We report that IDH1/2 mutations induce a homologous recombination (HR) defect that renders tumor cells exquisitely sensitive to poly(adenosine 5'-diphosphate-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. This "BRCAness" phenotype of IDH mutant cells can be completely reversed by treatment with small-molecule inhibitors of the mutant IDH1 enzyme, and conversely, it can be entirely recapitulated by treatment with either of the 2HG enantiomers in cells with intact IDH1/2 proteins. We demonstrate mutant IDH1-dependent PARP inhibitor sensitivity in a range of clinically relevant models, including primary patient-derived glioma cells in culture and genetically matched tumor xenografts in vivo. These findings provide the basis for a possible therapeutic strategy exploiting the biological consequences of mutant IDH, rather than attempting to block 2HG production, by targeting the 2HG-dependent HR deficiency with PARP inhibition. Furthermore, our results uncover an unexpected link between oncometabolites, altered DNA repair, and genetic instability.

The tumor microenvironment is characterized by regions of fluctuating hypoxia, low pH, and nutrient deprivation. To determine the genetic consequences of growth under these conditions, we used a tumorigenic cell line carrying a recoverable, chromosomally based lambda phage shuttle vector designed to report mutations without the need for genetic selection of mutant cells. The cells were grown in parallel either in culture or as tumors in nude mice. The frequency of mutations arising in cells within the tumors was found to be 5-fold higher than that in otherwise identical cells grown in culture. A distinct pattern of mutation was also seen, with significantly more deletions and transversions in the tumors than in the cell cultures. Furthermore, exposure of the cultured cells to hypoxia produced an elevated mutation frequency and a mutation pattern similar to that seen in the tumors. These results indicate that the conditions within solid tumors are mutagenic and suggest that a fundamental mechanism of tumor progression in vivo is genetic instability induced by the tumor microenvironment.

Abstract Genetic instability is a hallmark of cancer; the hypoxic tumor microenvironment has been implicated as a cause of this phenomenon. MicroRNAs (miR) are small nonprotein coding RNAs that can regulate various cellular pathways. We report here that two miRs, miR-210 and miR-373, are up-regulated in a hypoxia-inducible factor-1α–dependent manner in hypoxic cells. Bioinformatics analyses suggested that these miRs could regulate factors implicated in DNA repair pathways. Forced expression of miR-210 was found to suppress the levels of RAD52, which is a key factor in homology-dependent repair (HDR); the forced expression of miR-373 led to a reduction in the nucleotide excision repair (NER) protein, RAD23B, as well as in RAD52. Consistent with these results, both RAD52 and RAD23B were found to be down-regulated in hypoxia, but in both cases, the hypoxia-induced down-regulation could be partially reversed by antisense inhibition of miR-210 and miR-373. Importantly, luciferase reporter assays indicated that miR-210 is capable of interacting with the 3′ untranslated region (UTR) of RAD52 and that miR-373 can act on the 3′ UTR of RAD23B. These results indicate that hypoxia-inducible miR-210 and miR-373 play roles in modulating the expression levels of key proteins involved in the HDR and NER pathways, providing new mechanistic insight into the effect of hypoxia on DNA repair and genetic instability in cancer. [Cancer Res 2009;69(3):1221–9]

Abstract Hypoxic and/or anoxic tumor cells can have increased rates of mutagenesis and altered DNA repair protein expression. Yet very little is known regarding the functional consequences of any hypoxia-induced changes in the expression of proteins involved in DNA double-strand break repair. We have developed a unique hypoxic model system using H1299 cells expressing an integrated direct repeat green fluorescent protein (DR-GFP) homologous recombination (HR) reporter system to study HR under prolonged chronic hypoxia (up to 72 h under 0.2% O2) without bias from altered proliferation, cell cycle checkpoint activation, or severe cell toxicity. We observed decreased expression of HR proteins due to a novel mechanism involving decreased HR protein synthesis. Error-free HR was suppressed 3-fold under 0.2% O2 as measured by the DR-GFP reporter system. This decrease in functional HR resulted in increased sensitivity to the DNA cross-linking agents mitomycin C and cisplatin but not to the microtubule-interfering agent, paclitaxel. Chronically hypoxic H1299 cells that had decreased functional HR were relatively radiosensitive [oxygen enhancement ratio (OER), 1.37] when compared with acutely hypoxic or anoxic cells (OER, 1.96–2.61). Using CAPAN1 cells isogenic for BRCA2 and siRNA to RAD51, we confirmed that the hypoxia-induced radiosensitivity was due to decreased HR capacity. Persistent down-regulation of HR function by the tumor microenvironment could result in low-fidelity DNA repair and have significant implications for response to therapy and genetic instability in human cancers. [Cancer Res 2008;68(2):605–14]

Background Hypoxia in cancers results in the upregulation of hypoxia inducible factor 1 (HIF-1) and a microRNA, hsa-miR-210 (miR-210) which is associated with a poor prognosis. Methods and Findings In human cancer cell lines and tumours, we found that miR-210 targets the mitochondrial iron sulfur scaffold protein ISCU, required for assembly of iron-sulfur clusters, cofactors for key enzymes involved in the Krebs cycle, electron transport, and iron metabolism. Down regulation of ISCU was the major cause of induction of reactive oxygen species (ROS) in hypoxia. ISCU suppression reduced mitochondrial complex 1 activity and aconitase activity, caused a shift to glycolysis in normoxia and enhanced cell survival. Cancers with low ISCU had a worse prognosis. Conclusions Induction of these major hallmarks of cancer show that a single microRNA, miR-210, mediates a new mechanism of adaptation to hypoxia, by regulating mitochondrial function via iron-sulfur cluster metabolism and free radical generation.

ABSTRACT Previous studies have revealed that dysregulation of long interspersed nuclear element 1 (LINE-1), a dominant class of transposable elements in the human genome, correlates with neurodegeneration 1–3 . Yet whether LINE-1 dysregulation is causal to disease pathogenesis has not been proven directly. Here, we demonstrate that expression of evolutionarily younger LINE-1 families is elevated in the cerebella of ataxia telangiectasia (AT) patients, which was correlated with extensive downregulation of epigenetic silencers. To examine whether LINE-1 activation causes neurologic disease, we established an approach to directly target and activate the promoter of a young family of LINE-1 in mice. LINE-1 activation in the cerebellum was sufficient to lead to robust progressive ataxia. Purkinje cells in the diseased mice exhibited marked electrophysiological dysfunctions and degeneration with a significant accumulation of cytoplasmic ribonucleoprotein LINE-1Orf1p aggregates, endoplasmic reticulum (ER) stress, and DNA damage. Treatment with lamivudine, a nucleoside reverse transcriptase inhibitor, blunted the disease progression by reducing DNA damage, attenuating gliosis and interferon gene signature, and recovering the loss of key functional molecules for calcium homeostasis in Purkinje cells. This study provides direct evidence that young LINE-1 activation drives ataxia phenotype, and points to its pleiotropic effects leading to DNA damage, inflammation, and dysfunction and degeneration of neurons.

Abstract Radiotherapy (RT), is a fundamental treatment for malignant tumors and is used in over half of cancer patients. As radiation can promote anti-tumor immune effects, a promising therapeutic strategy is to combine radiation with immune checkpoint inhibitors (ICIs). However, the genetic determinants that impact therapeutic response in the context of combination therapy with radiation and ICI have not been systematically investigated. To unbiasedly identify the tumor intrinsic genetic factors governing such responses, we perform a set of genome-scale CRISPR screens in melanoma cells for cancer survival in response to low-dose genotoxic radiation treatment, in the context of CD8 T cell co-culture and with anti-PD1 checkpoint blockade antibody. Two actin capping proteins, Capza3 and Capg , emerge as top hits that upon inactivation promote the survival of melanoma cells in such settings. Capza3 and Capg knockouts (KOs) in mouse and human cancer cells display persistent DNA damage due to impaired homology directed repair (HDR); along with increased radiation, chemotherapy, and DNA repair inhibitor sensitivity. However, when cancer cells with these genes inactivated were exposed to sublethal radiation, inactivation of such actin capping protein promotes activation of the STING pathway, induction of inhibitory CEACAM1 ligand expression and resistance to CD8 T cell killing. Patient cancer genomics analysis reveals an increased mutational burden in patients with inactivating mutations in CAPG and/or CAPZA3 , at levels comparable to other HDR associated genes. There is also a positive correlation between CAPG expression and activation of immune related pathways and CD8 T cell tumor infiltration. Our results unveil the critical roles of actin binding proteins for efficient HDR within cancer cells and demonstrate a previously unrecognized regulatory mechanism of therapeutic response to radiation and immunotherapy.