Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) is the most common and deadliest pediatric brainstem tumor and is difficult to treat with chemotherapy in part due to the blood-brain barrier (BBB). Focused ultrasound (FUS) and microbubbles (MBs) have been shown to cause BBB disruption (BBBD), allowing larger chemotherapeutics to enter the parenchyma. Panobinostat is an example of a promising in vitro agent in DIPG with poor clinical efficacy due to low BBB penetrance. In this study, we hypothesized that using FUS to disrupt the BBB allows higher concentrations of panobinostat to accumulate in the tumor, providing a therapeutic effect. Mice were orthotopically injected with a patient-derived DMG cell line, BT-245. MRI was used to guide FUS/MB (1.5 MHz, 0.615 MPa PNP, 1 Hz PRF, 10 ms PL, 3 min treatment time) / (25 µL/kg, IV) targeting to the tumor location. In animals receiving panobinostat (10 mg/kg, IP) in combination with FUS/MB, a 3-fold increase in tumor panobinostat concentration was observed, with only insignificant increase of the drug in the forebrain. In mice receiving three weekly treatments, the combination of panobinostat and FUS/MB led to a 71% reduction of tumor volumes by MRI ( p = 0.01). Furthermore, FUS/MB improved the mean survival from 21 to 31 days ( p < 0.0001). Our study demonstrates that FUS-mediated BBBD can increase the delivery of panobinostat to an orthotopic DMG tumor, providing a strong therapeutic effect and increased survival.FUS and microbubbles can increase the delivery of panobinostat to a patient-derived xenograft (PDX) orthotopic DMG tumor, providing a strong therapeutic effect and increased survival.

Abstract Dynamic regulation of gene expression is fundamental for cellular adaptation to exogenous stressors. P-TEFb-mediated pause-release of RNA polymerase II (Pol II) is a conserved regulatory mechanism for synchronous transcriptional induction in response to heat shock, but this pro-survival role has not been examined in the applied context of cancer therapy. Using model systems of pediatric high-grade glioma, we show that rapid genome-wide reorganization of active chromatin facilitates P-TEFb-mediated nascent transcriptional induction within hours of exposure to therapeutic ionizing radiation. Concurrent inhibition of P-TEFb disrupts this chromatin reorganization and blunts transcriptional induction, abrogating key adaptive programs such as DNA damage repair and cell cycle regulation. This combination demonstrates a potent, synergistic therapeutic potential agnostic of glioma subtype, leading to a marked induction of tumor cell apoptosis and prolongation of xenograft survival. These studies reveal a central role for P-TEFb underpinning the early adaptive response to radiotherapy, opening avenues for combinatorial treatment in these lethal malignancies.

Abstract Myc-driven Medulloblastoma remains a major therapeutic challenge due to frequent metastasis and a poor 5-year survival rate. Myc gene amplification results in transcriptional dysregulation, proliferation, and survival of malignant cells. To identify therapeutic targets in Myc-amplified medulloblastoma we performed a CRISPR-Cas9 essentiality screen targeting 1140 genes annotated as the druggable genome. CDK7 was identified as a mediator of medulloblastoma tumorigenesis. Using covalent inhibitors and genetic depletion of CDK7 we observe the cessation of tumor growth in xenograft mouse models and increase in apoptotic mechanisms. The results are attributed to repression of a core set of Myc-driven transcriptional programs mediating DNA repair. We further establish that blocking CDK7 activity sensitizes cells to ionizing radiation leading to accrual of DNA damage and extended survival and tumor latency in medulloblastoma xenograft mouse models. Our studies establish a mechanism for selective inhibition of Myc-driven MB by CDK7 inhibition combined with radiation as a viable therapeutic strategy for Myc-amplified medulloblastoma.

Abstract BACKGROUND High-grade gliomas (HGGs) are a leading cause of cancer-associated death in children. Radiation therapy (RT) continues to be the only standard-of-care treatment across HGG subtypes, but disease frequently recurs following only a transient response. We have recently identified that HGGs utilize the pro-survival BCL-2 family of proteins to evade cell death after radiation, and we demonstrated that effective inhibition of BCL-2 with the CNS-penetrant drug venetoclax could be utilized to disrupt this resistance and augment radiation-induced cell killing. While this treatment significantly prolonged survival in orthotopic mouse models of pediatric HGG, tumors invariably developed resistance to single-agent venetoclax and recurred. METHODS We profiled tumors from venetoclax-resistant animals for alternate BCL-2 family binding. We then assessed susceptibility to MCL1 inhibition in venetoclax-treated or treatment naïve culture models. Synergy was tested in vitro, and mitochondrial ROS production and induction of apoptosis was assessed using the MCL1-specific agent S63845. Finally, venetoclax and S63845 were tested in combination following fractionated radiotherapy in orthotopic models of DIPG. RESULTS MCL1 is an acquired dependency following treatment with RT + venetoclax. S63845 synergizes with venetoclax following RT to drive mitochondrial ROS production and apoptosis. The combination of venetoclax and S63845 significantly prolongs survival in xenograft models of DIPG. CONCLUSIONS Combinatorial targeting with BH3 mimetics augments radiation-induced cell killing and may open new therapeutic avenues for pediatric HGG.

Abstract MYC-driven medulloblastoma represents a highly aggressive subgroup with poor prognosis and limited treatment options. CRISPR-Cas9 screening across MB cell lines revealed cyclin-dependent kinase 8 (CDK8) as a top dependency for MB growth. Loss of CDK8 significantly decreased both MYC expression and MB growth. Mechanistically, our RNA-Seq analysis demonstrated that CDK8 depletion suppressed ribosome biogenesis and mRNA translation. We found dual role of CDK8 in regulating protein synthesis. Firstly, CDK8-mediated phosphorylation of 4EBP1 was essential for initiating eIF4E-dependent translation and maintaining the typical function of medulloblastoma cells. Secondly, the inhibition of CDK8 led to a reduction in Pol II phosphorylation, resulting in the suppression of gene expression, particularly genes associated with ribosomal function. Targeting CDK8 effectively suppressed cancer stem and progenitor cells characterized by increased ribosome biogenesis activity. We revealed the synergistic effects of the combination inhibition of CDK8 and mTOR in MYC-driven MB cell lines and in xenograft models. Our findings suggest a promising therapeutic approach for MYC-driven MB by targeting CDK8 and mTOR to improve patient outcomes.

Abstract Diffuse midline gliomas (DMGs) are devastating brain tumors that occur primarily in children. The salient feature of these tumors is the presence of a H3K27M mutation (K27M), associated with the worst prognosis. We identified the cell surface antigen CD99 as notably expressed in DMGs, particularly in K27M + DMGs. We found that the increased expression of CD99 in K27M + DMGs was a result of the onco-histone K27M mutation. In K27M + DMG cells, CD99 inactivation impaired tumor growth by inducing cell differentiation, indicating an oncogenic role of CD99 enabled by blocking differentiation. We then developed a novel therapeutic anti-CD99 chimeric antibody, 10D1, with a membrane-proximal binding epitope, and evaluated its antitumor efficacy in preclinical models of K27M + DMG. 10D1 suppressed DMG growth in vitro and in vivo by inducing apoptosis. When combined with radiation treatment, 10D1 exhibited improved antitumor efficiency and xenograft survival, providing a strong justification for its clinical development as a therapy for DMGs. Statement of Significance This study emphasizes that CD99 overexpression occurs due to the H3K27M mutation in Diffuse Midline Gliomas (DMGs). This heightened expression suppresses apoptosis, inhibits differentiation, and induces radio-resistance in DMGs. This research justifies using a novel CD99 antibody alone or combined with radiation therapy in human pediatric clinical trials.

MYC-driven medulloblastoma (MB) is a highly aggressive cancer type with poor prognosis and limited treatment options. Through CRISPR-Cas9 screening across MB cell lines, we identified the Mediator-associated kinase CDK8 as the top dependence for MYC-driven MB. Loss of CDK8 markedly reduces MYC expression and impedes MB growth. Mechanistically, we demonstrate that CDK8 depletion suppresses ribosome biogenesis and mRNA translation. CDK8 regulates occupancy of phospho-Polymerase II at specific chromatin loci facilitating an epigenetic alteration that promotes transcriptional regulation of ribosome biogenesis. Additionally, CDK8-mediated phosphorylation of 4EBP1 plays a crucial role in initiating eIF4E-dependent translation. Targeting CDK8 effectively suppresses cancer stem and progenitor cells, characterized by increased ribosome biogenesis activity. We also report the synergistic inhibition of CDK8 and mTOR

A bstract Dynamic regulation of gene expression is fundamental for cellular adaptation to exogenous stressors. PTEFb-mediated pause-release of RNA polymerase II (Pol II) is a conserved regulatory mechanism for synchronous transcriptional induction in response to heat shock, but this pro-survival role has not been examined in the applied context of cancer therapy. Using model systems of pediatric high-grade glioma, we show that rapid genome-wide reorganization of active chromatin facilitates PTEFb-mediated nascent transcriptional induction within hours of exposure to therapeutic ionizing radiation. Concurrent inhibition of PTEFb disrupts this chromatin reorganization and blunts transcriptional induction, abrogating key adaptive programs such as DNA damage repair and cell cycle regulation. This combination demonstrates a potent, synergistic therapeutic potential agnostic of glioma subtype, leading to a marked induction of tumor cell apoptosis and prolongation of xenograft survival. These studies reveal a central role for PTEFb underpinning the early adaptive response to radiotherapy, opening new avenues for combinatorial treatment in these lethal malignancies.

Mutations in the histone 3 gene (H3K27M) are the eponymous drivers in diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPGs) and other diffuse midline gliomas (DMGs), aggressive pediatric brain cancers for which no curative therapy currently exists. The salient molecular consequence of these recurrent oncohistones is a global loss of repressive H3K27me3 residues and broad epigenetic dysregulation. In order to identify specific, therapeutically targetable epigenetic dependencies within this disease context, we performed an shRNA screen targeting 408 genes classified as epigenetic/chromatin-associated molecules in patient-derived DMG cultures. This approach identified AFF4, the scaffold protein of the super elongation complex (SEC), as a previously-undescribed dependency in DMG. Interrogation of SEC function demonstrated a key role for maintaining DMG cell viability and clonogenic potential while promoting self-renewal of DMG tumor stem cells. Small-molecule inhibition of the SEC with the highly-specific, clinically relevant CDK9 inhibitors atuveciclib and AZD4573 restores regulatory RNA polymerase II pausing, promotes cellular differentiation, and leads to potent anti-tumor effect both in vitro and in patient-derived xenograft models. These studies present a biologic rationale for translational exploration of CDK9 inhibition as a promising therapeutic approach in a disease which currently has no effective medical therapies.

Abstract BACKGROUND The highest-risk medulloblastomas are driven by recurrent Myc amplifications (Myc-MB) and experience poorer outcomes despite intensive multimodal therapy. The Myc transcription factor defines core regulatory circuitry for these tumors and acts to broadly amplify downstream pro-survival transcriptional programs. Therapeutic targeting of Myc directly has proven elusive, but inhibiting transcriptional cofactors may present an indirect means of drugging the oncogenic transcriptional circuitry sustaining Myc-MB. METHODS Independent CRISPR-Cas9 screens were pooled to identify conserved dependencies in Myc-MB. We performed chromatin conformation capture (Hi-C) from primary patient Myc-MB samples to map enhancer-promoter interactions. We then treated in vitro and xenograft models with the dual CDK9/7 inhibitor zotiraciclib to evaluate effect on Myc-driven programs and tumor growth. RESULTS Eight CRISPR-Cas9 screens performed across three independent labs identify CDK9 as a conserved dependency in Myc-MB. Myc-MB cell lines are sensitive to CDK9 inhibition at low nanomolar concentrations, and these synergize with CDK7 inhibition. We find that treatment with the dual CDK9/7 inhibitor zotiraciclib depletes Myc binding and transcriptional activity at enhancer elements within the Myc topologically associated domain, largely abrogating transcriptional output from the Myc promoter. This leads to a decrease in Myc binding genome-wide with a concordant downregulation of hallmark Myc-driven transcriptional programs. Clinically relevant CDK9 inhibitors show variable efficacy in vivo, but CNS-penetrant agents achieved a significant prolongation in xenograft survival. CONCLUSIONS CDK9/7 catalytic activity represents a druggable vulnerability underpinning Myc-driven transcriptional programs. The development of CNS-penetrant CDK9/7 inhibitors may open new avenues for rational therapy in these high-risk medulloblastomas.