Abstract Background Human cancers commonly contain mutations in transcription factors that lead to aberrant DNA binding or altered effector function at target sites. One such factor significantly mutated in cancer is the evolutionarily-conserved CCCTC-binding factor (CTCF), which has fundamental roles in maintaining chromatin architecture and transcriptional regulation. Numerous cancer genome sequencing and functional studies have revealed CTCF’s role as a haploinsufficient tumour suppressor gene. However, to date, structure-function relationships of somatic CTCF mutations have not been examined. Methods We collated somatic CTCF mutations from cancer genome portals and published studies to determine their nature, frequency, distribution and potential functional impact. We undertook an in-depth examination of 5 CTCF missense zinc finger (ZF) mutations occurring within key intra- and inter-ZF residues. We performed functional analyses including cell growth, colony-formation, chromatin immunoprecipitation and transcriptional reporter assays. Based on their homology, each ZF mutation was then modelled on CTCF’s ZF domain crystal structure and its structural impact analysed using molecular dynamics simulations. Results We observed an enrichment of somatic missense mutations occurring in the ZF region of CTCF, compared to the unstructured N- and C-termini. Functional characterisation of CTCF ZF mutations revealed a complete (L309P, R339W, R377H) or intermediate (R339Q) abrogation as well as an enhancement (G420D) of the anti-proliferative effects of CTCF. DNA binding at select sites was disrupted and transcriptional regulatory activities abrogated. In silico mutagenesis revealed that L309P had the highest mutation energy and thus most severe impact on protein stability. Molecular docking and molecular dynamics simulations confirmed that mutations in residues specifically contacting DNA bases or backbone exhibited loss of DNA binding (R339Q, R339W, R377H). Remarkably, R339Q and G420D were stabilised by the formation of new primary DNA bonds. All mutations exhibited some loss or gain of bonds at neighbouring residues, often in adjacent zinc fingers. Conclusions Our data confirm the significant negative impact haploinsufficient CTCF ZF mutations have on its tumour suppressor function. A spectrum of loss-, change- and gain-of-function impacts in CTCF zinc fingers are observed in cell growth regulation and gene regulatory activities. We have established that diverse cellular phenotypes in CTCF are explained by examining structure-function relationships.

Abstract Background Uveal melanoma (UM) is a highly malignant intraocular tumor with a poor prognosis and response to therapy, including immune checkpoint inhibitors (ICIs), after the onset of liver metastasis. The metastatic microenvironment contains high levels of tumor-associated macrophages (TAMs) that correlate positively with a worse patient prognosis. We hypothesized that one could increase the efficacy of ICIs in UM metastases by immunomodulating UM-associated macrophages. Methods To identify potential targets for the immunomodulation, we created a network-based representation of the biology of TAMs and employed (bulk and single-cell) differential gene expression analysis to obtain a regulatory core of UM macrophages-associated genes. We utilized selected targets for pharmacophore-based virtual screening against a library of FDA-approved chemical compounds, followed by refined flexible docking analysis. Finally, we ranked the interactions and selected one novel drug-target combination for in vitro validation. Results Based on the generated TAM-specific interaction network (3863 nodes, 9073 edges), we derived a UM macrophages-associated regulatory core (74 nodes, 286 edges). From the regulatory core genes, we selected eight potential targets for pharmacophore-based virtual screening (YBX1, GSTP1, NLRP3, ISG15, MYC, PTGS2, NFKB1, CASP1). Of 266 drug-target interactions screened, we identified the interaction between the antibiotic Clindamycin and Caspase-1 as a priority for experimental validation. Our in vitro validation experiments showed that Clindamycin specifically interferes with activated Caspase-1 and inhibits the secretion of IL-1β, IL-18, and lactate dehydrogenase (LDH) in macrophages after stimulation. Our results suggest that repurposed Clindamycin could reduce pyroptosis in TAMs, a pro-inflammatory form of programmed immune cell death favouring tumor progression. Conclusion We were able to predict a novel Clindamycin-Caspase-1 interaction that effectively blocks Caspase-1-mediated inflammasome activity and pyroptosis in vitro in macrophages. This interaction is a promising clinical immunomodulator of the tumor microenvironment for improving ICI responsivenss. This work demonstrates the power of combining network-based transcriptomic analysis with pharmacophore-guided screening for de novo drug-target repurposing. Graphical Abstract