ABSTRACT Meningiomas are the most frequent primary intracranial tumors. They can follow a wide clinical spectrum from benign to highly aggressive clinical course. No specific therapy exists for refractory cases or cases not amenable to resection and radiotherapy. Identification of risk of recurrence and malignant transformation for the individual patients is challenging. However, promising molecular markers and prognostic subgrouping by DNA methylation are emerging. Still, the biological underpinnings of these diagnostic subgroups are elusive, and, consequently, no novel therapeutic options arise thereof. Here we establish robust subgroups across the full landscape of meningiomas, consistent through DNA methylation, mutations, the transcriptomic, proteomic and phospho-proteomic level. Pronounced proliferative stress and DNA damage repair signals in malignant cells and in clusters exclusive to recurrent tumors are in line with their higher mitotic activity, but also provide an explanation for the accumulation of genomic instability in anaplastic meningiomas. Although homozygous deletion of CDKN2A/B is a diagnostic marker of high-grade meningioma, the expression of its gene product increased from low to non-deleted high-grade cases. Differences between subgroups in lymphocyte and myeloid cell infiltration, representing a majority of tumor mass in low-grade NF2 tumors, could be assigned to cluster-specific interaction with tumor cells. Activation to a more proinflammatory phenotype and decreased infiltration of myeloid cells in high-grade cases correlated with lower expression of CSF1 , located on chromosome arm 1p, whose deletion is known as prognostic marker, with no proposed mechanism before. Our results demonstrate a robust molecular subclassification of a tumor type across multiple layers, provide insight into heterogeneous growth dynamics despite shared pathognomonic mutations, and highlight immune infiltration modulation as a novel target for meningioma therapy.

Abstract Melanoma is a highly plastic tumor characterized by dynamic interconversion of different cell identities depending on the biological context. For example, melanoma cells with high expression of the H3K4 demethylase KDM5B (JARID1B) rest in a slow-cycling, yet reversible persister state. Over time, KDM5B high cells can promote rapid tumor repopulation with equilibrated KDM5B expression heterogeneity. The cellular identity of KDM5B high persister cells has not been studied so far, missing an important cell state-directed treatment opportunity in melanoma. Here, we have established a doxycycline-titratable system for genetic induction of permanent intratumor expression of KDM5B and screened for chemical agents that phenocopy this effect. Transcriptional profiling and cell functional assays confirmed that the dihydropyridine phenoxyethyl 4-(2-fluorophenyl)-2,7,7-trimethyl-5-oxo-1,4,5,6,7,8-hexa-hydro-quinoline-3-carboxylate (termed Cpd1) supports high KDM5B expression and directs melanoma cells towards differentiation along the melanocytic lineage and to cell cycle-arrest. The high KDM5B state additionally prevents cell proliferation through negative regulation of cytokinetic abscission. Moreover, treatment with Cpd1 promoted the expression of the melanocyte-specific tyrosinase gene specifically sensitizing melanoma cells for the tyrosinase-processed antifolate prodrug 3-O-(3,4,5-trimethoxybenzoyl)-(-)-epicatechin (TMECG). In summary, our study provides proof-of-concept for a new dual hit strategy in melanoma, in which persister state-directed transitioning limits tumor growth and plasticity and primes melanoma cells towards lineage-specific elimination.

SUMMARY Energetic stress compels cells to evolve adaptive mechanisms to maintain homeostasis. Here, we report that the negative regulators of mRNA translation initiation eukaryotic initiation factor 4E binding proteins 1/2 (4EBP1/2) are essential to promote the survival of mammalian cells and budding yeast under glucose starvation. Functionally, 4EBP1/2 inhibit fatty acid synthesis upon energetic stress via repression of Acetyl-CoA Carboxylase Alpha ( ACACA ) mRNA translation, sparing NADPH, to maintain intracellular redox balance. This has important relevance in cancers, as we uncovered that oncogene-transformed cells and glioma cells exploit the 4EBP1/2 regulation of ACACA expression and redox balance to combat energetic stress, thereby supporting transformation and tumorigenicity in vitro and in vivo. Clinically, high EIF4EBP1 (encoding 4EBP1) expression is associated with poor outcomes in several cancer types, including glioma. Our data reveal that 4EBP1/2 are conserved mediators of the survival response to energetic stress which are exploited by cancer cells for metabolic adaptation.

Abstract ETV6::RUNX1 is the most common oncogenic fusion in pediatric B cell precursor acute lymphoblastic leukemia (BCP-ALL). It induces a clinically silent preleukemic state that requires secondary mutations for progression to leukemia. However, the molecular mechanisms contributing to the characteristic quiescence of ETV6::RUNX1 + preleukemic cells remain elusive. Here, we detect factors involved in the preleukemic state by generating human induced pluripotent stem cell (hiPSC) models using CRISPR/Cas9 gene editing. We identified upregulation of linker histone H1-0 in our preleukemic models, which was preserved upon hematopoietic differentiation and transformation to BCP-ALL. ETV6::RUNX1 induces H1-0 promoter activity whereas depletion of H1-0 specifically inhibited ETV6::RUNX1 signature genes, indicating its role as a key mediator of the ETV6::RUNX1 transcriptome. Single-cell gene expression analysis revealed high H1-0 levels in quiescent cells during hematopoiesis and inverse correlation with transcriptional activity. Pharmacologically, H1-0 protein levels correspond to susceptibility of BCP-ALL towards histone deacetylase inhibitors (HDACi). Altogether, our study provides novel insights into ETV6::RUNX1-induced quiescence and suggests that further investigation into combinatorial treatment of BCP-ALL using the H1-0- inducing HDACi Quisinostat may be worthwhile.

Brain metastases represent the most common intracranial tumors in adults and are associated with a poor prognosis. We used a personalized in vitro drug screening approach to characterize individual therapeutic vulnerabilities in brain metastases.

ABSTRACT Medulloblastoma (MB) is the most common malignant brain tumor in childhood and is stratified into four molecular groups ‒ WNT, SHH, Group 3 and Group 4. Group 3 MB patients exhibit the poorest prognosis, with a 5-year overall survival of <60%, followed by Group 4 MB patients. Apart from MYC amplification in a subset of Group 3 MBs, the molecular pathomechanisms driving aggressiveness of these tumors remain incompletely characterized. The gene encoding the mTOR substrate and mRNA translation inhibitor eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein 1 ( EIF4EBP1 ) represents a possible MYC target gene whose corresponding protein, 4EBP1, was shown to be more active in Group 3 versus Group 4 MBs. However, the prognostic role of 4EBP1 in MB and the mechanisms supporting 4EBP1 overexpression in Group 3 MB are still elusive. We analyzed EIF4EBP1 mRNA expression in publicly available data sets and found an upregulation in MB as compared to non-neoblastic brain. EIF4EBP1 mRNA expression levels were higher in Group 3 compared to Group 4 MBs. EIF4EBP1 mRNA expression was correlated with MYC expression, most prominently in Group 3 MBs. Survival analyses highlighted that high EIF4EBP1 mRNA expression was associated with reduced overall and event-free survival across all MB patients and in Group 3/Group 4 MB patients. Immunohistochemical evaluation of 4EBP1 protein expression in MB tissues confirmed that high levels of 4EBP1 are associated with poor outcome. Functional analyses revealed that MYC directly regulates EIF4EBP1 promoter activity, providing a mechanism for increased EIF4EBP1 mRNA levels in Group 3 MBs. Finally, we observed that 4EBP1 may support colony formation of in vitro cultured MB cells. Our data highlight that transcriptional upregulation of EIF4EBP1 by MYC promotes in vitro tumorigenicity of MB cells and associates with shorter survival of MB patients.

ABSTRACT Despite current improvements in systemic cancer treatment, brain metastases (BM) remain incurable, and there is an unmet clinical need for effective targeted therapies. Here, we sought common molecular events in brain metastatic disease. RNA sequencing of thirty human BM identified the upregulation of UBE2C , a gene that ensures the correct transition from metaphase to anaphase, across different primary tumor origins. Tissue microarray analysis of an independent BM patient cohort revealed that high expression of UBE2C was associated with decreased survival. UBE2C-driven orthotopic mouse models developed extensive leptomeningeal dissemination, likely due to increased migration and invasion. Early cancer treatment with dactolisib (dual PI3K/mTOR inhibitor) prevented the development of UBE2C-induced leptomeningeal metastases. Our findings reveal UBE2C as a key player in the development of metastatic brain disease and highlight PI3K/mTOR inhibition as a promising anticancer therapy to prevent late-stage metastatic brain cancer.

ABSTRACT Background Neuroblastoma (NB) accounts for 15% of cancer-related deaths in childhood despite considerable therapeutic improvements. While several risk factors, including MYCN amplification and alterations in RAS and p53 pathway genes, have been defined in NB, the clinical outcome is very variable and difficult to predict. Since genes of the mTOR pathway are up-regulated in MYCN -amplified NB, we aimed to define the predictive value of the mTOR substrate-encoding gene eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein 1 ( EIF4EBP1 ) expression in NB patients. Methods Several independent NB patient cohorts with corresponding mRNA expression data were analyzed for EIF4EBP1 expression. An institutional NB cohort consisting of 69 prospectively collected tumors was employed to immunohistochemically analyze expression of EIF4EBP1 -encoded protein (4EBP1). In addition, we performed an in vitro luciferase reporter gene assay with an episomal EIF4EBP1 promoter and genetically modulated MYCN expression in NB cells. Findings EIF4EBP1 mRNA expression was positively correlated with MYCN expression and elevated in stage 4 and high-risk NB patients. High EIF4EBP1 mRNA expression was associated with reduced overall and event-free survival in the entire group of NB patients in three cohorts, as well as in stage 4 and high-risk patients. High levels of 4EBP1 were significantly associated with prognostically unfavorable NB histology. Functional analyses in vitro revealed that EIF4EBP1 expression is transcriptionally controlled by MYCN binding to the EIF4EBP1 promoter. Interpretation High EIF4EBP1 expression is associated with poor prognosis in NB patients and may serve to stratify patients with high-risk NB. Funding G.L. was supported by funding from the Elterninitiative Düsseldorf e.V., the Research Commission of the Medical Faculty of Heinrich Heine University, the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Grant LE 3751/2-1), and the German Cancer Aid (Grant 70112624). The laboratory of T.G.P.G. is supported by the Barbara und Wilfried Mohr Foundation. BR is supported by the Israel Science Foundation (grant No. 1436/19). RESEARCH IN CONTEXT Evidence before this study NB represents a particularly heterogeneous cancer entity, with 5-year event-free survival rate ranging from 50% to 98% depending on the patient’s risk group. While genes of the nutrient-sensing mTOR pathway were found to be up-regulated in MYCN -amplified NB tumors, their clinical relevance and prognostic value in NB patients remain unclear. In particular, the mTOR substrate-encoding gene EIF4EBP1 was studied in NB by three different groups and high EIF4EBP1 mRNA expression was observed in MYCN -amplified or contradictorily in more favorable stages 1 and 2 patients. Also, EIF4EBP1 was included in a prognostic gene signature for poor overall survival in NB. However, the prognostic value of EIF4EBP1 alone was not determined in NB and the expression of EIF4EBP1 encoded protein, 4EBP1, was not analyzed in NB tumor tissues and not correlated with clinicopathological features such as histological subtypes. Additionally, the transcriptional regulation of the EIF4EBP1 promoter by MYCN was not characterized. Added value of this study This study uncovers the prognostic potential of EIF4EBP1 at the mRNA and protein levels in NB patients. We report that high EIF4EBP1 expression is correlated with poor survival in three independent cohorts and that high 4EBP1 levels is associated with a prognostically unfavorable histological subtype. High EIF4EBP1 expression is also a factor of poor prognosis in stage 4 and high-risk patient groups. Finally, we found that MYCN activates the human EIF4EBP1 promoter through binding at three binding motifs. Implications of all the available evidence EIF4EBP1 mRNA and 4EBP1 protein expression have prognostic value in NB, especially to stratify patients with advanced and more aggressive NB, such as patients with stage 4 disease and high-risk patients including those with unfavorable histological subtype NB. Enhanced EIF4EBP1 mRNA and 4EBP1 protein expression in NB are driven by direct transcriptional activation of EIF4EBP1 by MYCN.

Abstract Ferroptosis is an iron-dependent form of regulated cell death arising from excessive lipid peroxidation. While seminal work described that oncogenic RAS transformation drives synthetic lethal vulnerability to archetypal ferroptosis inducers including erastin (eradicator of RAS and ST-expressing cells) and RSL3 (Ras selective lethal 3), more recent work suggest that oncogenic RAS signaling may confer ferroptosis resistance. Thus, the impact of oncogenic RAS on the cellular response to ferroptosis is still unclear. Here, we provide unifying evidence across multiple cellular models that oncogenic RAS signaling suppresses ferroptosis. Using integrated proteo- and transcriptomic analyses, we uncovered that oncogenic RAS signaling upregulates the ferroptosis suppressor GTP cyclohydrolase I (GCH1) via transcriptional induction by the transcription factor ETS1 downstream of the RAS-MAPK signaling cascade. Targeted repression of Gch1 or of the tetrahydrobiopterin (BH4) synthesis pathway, which is mediated by GCH1, was sufficient to sensitize oncogenic RAS transformed cells to ferroptosis in 2D and 3D cell models, highlighting a mechanism through which RAS promotes resistance to ferroptosis induction. Furthermore, we found that GCH1 expression is clinically relevant and correlates with RAS signaling activation in human cancers. Overall, this study redefines oncogenic RAS signaling to be a ferroptosis suppressor, and identifies GCH1 as a mediator of this effect and a potential vulnerability for targeting RAS driven cancers.