Cystine-dense peptides (CDPs) are a miniprotein class that can drug difficult targets with high affinity and low immunogenicity. Tools for their design, however, are not as developed as those for small-molecule and antibody drugs. CDPs have diverse taxonomic origins, but structural characterization is lacking. Here, we adapted Iterative Threading ASSEmbly Refinement (I-TASSER) and Rosetta protein modeling software for structural prediction of 4298 CDP scaffolds and performed in silico prescreening for CDP binders to targets of interest. Mammalian display screening of a library of docking-enriched, methionine and tyrosine scanned (DEMYS) CDPs against PD-L1 yielded binders from four distinct CDP scaffolds. One was affinity-matured, and cocrystallography yielded a high-affinity ( K D = 202 pM) PD-L1–binding CDP that competes with PD-1 for PD-L1 binding. Its subsequent incorporation into a CD3-binding bispecific T cell engager produced a molecule with pM-range in vitro T cell killing potency and which substantially extends survival in two different xenograft tumor-bearing mouse models. Both in vitro and in vivo, the CDP-incorporating bispecific molecule outperformed a comparator antibody-based molecule. This CDP modeling and DEMYS technique can accelerate CDP therapeutic development.

Summary/Abstract Epstein-Barr virus (EBV) is a cancer-associated pathogen responsible for 140,000 deaths per year. EBV is also the etiological agent of infectious mononucleosis and is associated with multiple sclerosis and rheumatoid arthritis. Thus, an EBV vaccine could alleviate significant morbidity and mortality. EBV is orally transmitted and has tropism for both epithelial cells and B cells which are present in the oral cavity. Therefore, a prophylactic vaccine would need to prevent infection of both cell types. Passive transfer neutralizing monoclonal antibodies targeting the viral gH/gL glycoprotein complex prevent experimental EBV infection in humanized mice and rhesus macaques, suggesting that gH/gL is an attractive vaccine candidate. Here, we produced and evaluated the immunogenicity of several nanoparticle immunogens displaying gH/gL with distinct valencies and geometries. After one or two immunizations, all nanoparticles elicited superior binding and neutralizing titers relative to monomeric gH/gL. Antibodies elicited by a computationally designed self-assembling nanoparticle that displays 60 copies of the gH/gL protein conferred protection against a lethal dose of EBV in a humanized mouse challenge model, whereas antibodies elicited by monomeric gH/gL did not. Taken together, these data motivate further development of gH/gL nanoparticle vaccine candidates for EBV.

Abstract Lysine 27-to-methionine (K27M) mutations in the H3.1 or H3.3 histone genes are characteristic of pediatric diffuse midline gliomas (DMGs). These oncohistone mutations dominantly inhibit histone H3K27 trimethylation and silencing, but it is unknown how oncohistone type affects gliomagenesis. We show that the genomic distributions of H3.1 and H3.3 oncohistones in human patient-derived DMG cells are consistent with the DNA replication-coupled deposition of histone H3.1 and the predominant replication-independent deposition of histone H3.3. Although H3K27 trimethylation is reduced for both oncohistone types, H3.3K27M-bearing cells retain some domains, and only H3.1K27M-bearing cells lack H3K27 trimethylation. Neither oncohistone interferes with PRC2 binding. Using Drosophila as a model, we demonstrate that inhibition of H3K27 trimethylation occurs only when H3K27M oncohistones are deposited into chromatin and only when expressed in cycling cells. We propose that oncohistones inhibit the H3K27 methyltransferase as chromatin patterns are being duplicated in proliferating cells, predisposing them to tumorigenesis.

Abstract Hydrogels generally have broad utilization in healthcare due to their tunable structures, high water content, and inherent biocompatibility. FDA-approved applications of hydrogels include spinal cord regeneration, skin fillers, and local therapeutic delivery. Drawbacks exist in the clinical hydrogel space, largely pertaining to inconsistent therapeutic exposure, short-lived release windows, and difficulties inserting the polymer into tissue. In this study, we engineered injectable, biocompatible hydrogels that function as a local protein therapeutic depot with a high degree of user-customizability. We showcase a PEG-based hydrogel functionalized with bioorthogonal strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC) handles for its polymerization and functionalization with a variety of payloads. Small-molecule and protein cargos, including chemokines and antibodies, were site-specifically modified with hydrolysable “azidoesters” of varying hydrophobicity via direct chemical conjugation or sortase-mediated transpeptidation. These hydrolysable esters afforded extended release of payloads linked to our hydrogels beyond diffusion; with timescales spanning days to months dependent on ester hydrophobicity. Injected hydrogels polymerize in situ and remain in tissue over extended periods of time. Hydrogel-delivered protein payloads elicit biological activity after being modified with SPAAC-compatible linkers, as demonstrated by the successful recruitment of murine T-cells to a mouse melanoma model by hydrolytically released murine CXCL10. These results highlight a highly versatile, customizable hydrogel-based delivery system for local delivery of protein therapeutics with payload release profiles appropriate for a variety of clinical needs. Translational Impact We developed injectable hydrogels that provide loco-regional, controlled release of protein therapeutics. Local delivery is especially suitable for potent, protein-based drugs like chemokines and monoclonal antibodies whose systemic toxicities can be life threatening. Our hydrogel is equipped with slowly hydrolyzing linkers for transient payload coupling, prolonging its therapeutic window and minimizing the need for repeat surgeries in a clinical setting. A range of release profiles, spanning days to over a month, and a broad compatibility to therapeutically relevant, recombinant proteins provide clinicians with flexible therapeutic options to suit a variety of circumstances.

Abstract Many disease-causing proteins have multiple pathogenic mechanisms, and conventional inhibitors struggle to reliably disrupt more than one. Targeted protein degradation (TPD) can eliminate the protein, and thus all its functions, by directing a cell’s protein turnover machinery towards it. Two established strategies either engage catalytic E3 ligases or drive uptake towards the endolysosomal pathway. Here we describe CYpHER ( C atal Y tic pH -dependent E ndolysosomal delivery with R ecycling) technology with potency and durability from a novel catalytic mechanism that shares the specificity and straightforward modular design of endolysosomal uptake. By bestowing pH-dependent release on the target engager and using the rapid-cycling transferrin receptor as the uptake receptor, CYpHER induces endolysosomal target delivery while re-using drug, potentially yielding increased potency and reduced off-target tissue exposure risks. The TfR-based approach allows targeting to tumors that overexpress this receptor and offers the potential for transport to the CNS. CYpHER function was demonstrated in vitro with EGFR and PD-L1, and in vivo with EGFR in a model of EGFR-driven non-small cell lung cancer.

Abstract Glioblastoma (GBM) is the most common and aggressive brain tumor in adults. To identify genes differentially required for the viability of GBM stem-like cells (GSCs), we performed functional genomic lethality screens comparing GSCs and control human neural stem cells. Among top scoring hits in a subset of GBM cells was the F-box-containing gene FBXO42 , which was also essential in ∼15% of cell lines derived from a broad range of cancers. Mechanistic studies revealed that, in sensitive cells, FBXO42 activity prevents chromosome alignment defects, mitotic cell cycle arrest, and cell death. The cell cycle arrest, but not the cell death, triggered by FBXO42 inactivation could be suppressed by brief exposure to a chemical inhibitor of Mps1, a key spindle assembly checkpoint (SAC) kinase. FBXO42 ’s cancer-essential function requires its F-box and Kelch domains, which are necessary for FBXO42’s substrate recognition and targeting by SCF ubiquitin ligase complex. However, none of FBXO42’s previously proposed targets, including ING4, p53, and RBPJ, were responsible for the observed phenotypes. Instead, our results suggest that FBOX42 activity suppresses the accumulation of one or more proteins that perturb chromosome-microtubule dynamics in cancer cells, which, in turn, leads to induction of the SAC and cell death.

ABSTRACT The incidence of many human cancers differs according to sex, but little is known about the interplay between oncogenic events and sex as a variable in tumorigenesis. Here we report that the oncogene Yap1 is sexually dimorphic in medulloblastoma progression and immune suppression. We show that Yap1 promotes stemness and blocks differentiation in sonic hedgehog (SHH)-subtype medulloblastoma by at least two distinct but complementary molecular mechanisms to regulate the RNA expression and protein functions of Sox2, Atoh1, NeuroD1, and Zic1/2. Yap1 also promotes an immune suppressive tumor microenvironment by directly regulating Csf1, Igf1, and Igfbp3 transcription and modulating IL6-JAK-STAT3, TNFR1, TGF-β, and CCL5 immune pathways. Notably, Yap1 function is more critical in males and this is evolutionarily conserved: genes downstream of YAP1 identified in mouse models stratify male but not female medulloblastoma patient survival. In summary, we demonstrate a sex-based function for an oncogene, underscoring the critical need to incorporate sex as a variable in cancer mechanism and clinical response studies, particularly those involving YAP1.

Our understanding of eukaryotic gene regulation is limited by the complexity of protein-DNA interactions that comprise the chromatin landscape and by inefficient methods for characterizing these interactions. We recently introduced CUT&RUN, an antibody-targeted nuclease-cleavage method that profiles DNA-binding proteins, histones and chromatin modifying proteins in situ with exceptional sensitivity and resolution. Here we describe an automated CUT&RUN platform and apply it to characterize the chromatin landscapes of human cell lines. We find that CUT&RUN profiles of histone modifications crisply demarcate active and repressed chromatin regions, and we develop a continuous metric to identify cell-type specific promoter and enhancer activities. We test the ability of automated CUT&RUN to profile frozen tumor samples, and find that our method readily distinguishes two diffuse midline gliomas by their subtype-specific gene expression programs. The easy, cost-effective workflow makes automated CUT&RUN an attractive tool for high-throughput characterization of cell types and patient samples.

Adult and pediatric tumors display stark differences in their mutation spectra and chromosome alterations. Here, we attempted to identify common and unique gene dependencies and their associated biomarkers among adult and pediatric tumor isolates using functional genetic lethal screens and computational modeling.We performed CRISRP-Cas9 lethality screens in two adult glioblastoma (GBM) tumor isolates and five pediatric brain tumor isolates representing atypical teratoid rhabdoid tumors (ATRT), diffuse intrinsic pontine glioma, GBM, and medulloblastoma. We then integrated the screen results with machine learning-based gene-dependency models generated from data from >900 cancer cell lines.We found that >50% of candidate dependencies of 280 identified were shared between adult GBM tumors and individual pediatric tumor isolates. 68% of screen hits were found as nodes in our network models, along with shared and tumor-specific predictors of gene dependencies. We investigated network predictors associated with ADAR, EFR3A, FGFR1 (pediatric-specific), and SMARCC2 (ATRT-specific) gene dependency among our tumor isolates.The results suggest that, despite harboring disparate genomic signatures, adult and pediatric tumor isolates share a preponderance of genetic dependences. Further, combining data from primary brain tumor lethality screens with large cancer cell line datasets produced valuable insights into biomarkers of gene dependency, even for rare cancers.Our results demonstrate that large cancer cell lines data sets can be computationally mined to identify known and novel gene dependency relationships in adult and pediatric human brain tumor isolates. Gene dependency networks and lethality screen results represent a key resource for neuro-oncology and cancer research communities. We also highlight some of the challenges and limitations of this approach.

Pediatric high-grade gliomas are highly invasive and cure rates are low. Tumor cells invade along varied migratory tracks, following neural cell strands or extracellular matrix around blood vessels, resembling neuron progenitors during brain development. In contrast to their adult counterparts, mechanisms that direct invading cells to follow these different routes remain poorly characterized. We found that N-cadherin differentially regulates pediatric high-grade glioma collective migration according to the microenvironment, inhibiting invasion of extracellular matrix but stimulating migration on neurons or astrocytes. Migrating leader cells exhibited faster endocytosis of N-cadherin and β-catenin and increased proliferation and nuclear Yes-associated protein 1 (YAP1) relative to follower cells. YAP1 localization was regulated by cell density, and inhibition of YAP1 and its paralog TAZ decreased N-cadherin internalization and retarded migration. Therefore, feedback between YAP1/TAZ and N-cadherin recycling regulates leader-follower phenotypic identity and differential migration on extracellular matrix and neural substrates.