ABSTRACT Mutation in isocitrate dehydrogenase ( mIDH ) is a gain of function mutation resulting in the production of the oncometabolite, R-2-hydroxyglutarate, that inhibits DNA and histone demethylases. The resultant hypermethylation phenotype reprograms the glioma cells’ transcriptome and elicits profound effects on glioma immunity. We report that in mouse models and human gliomas, mIDH1 in the context of ATRX and TP53 inactivation results in global expansion of the granulocytic myeloid cells’ compartment. Single-cell RNA-sequencing coupled with mass cytometry analysis revealed that these granulocytes are mainly non-immunosuppressive neutrophils and pre-neutrophils; with a small fraction of polymorphonuclear myeloid-derived suppressor cells. The mechanism of mIDH1 mediated pre-neutrophils expansion involves epigenetic reprogramming which leads to enhanced expression of the granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF). Blocking G-CSF restored the inhibitory potential of PMN-MDSCs and enhanced tumor progression. Thus, G-CSF induces remodeling of the inhibitory PMN-MDSCs in mIDH1 glioma rendering them non-immunosuppressive; and having significant therapeutic implications. SIGNIFICANCE mIDH1 is the most common mutation in gliomas associated with improved prognosis. Gliomas harboring mIDH1 , together with ATRX and TP53 inactivation, exhibit higher circulating levels of G-CSF, ensuing the recruitment and expansion of non-suppressive neutrophils, pre-neutrophils and small fraction of PMN-MDSCs to the TME leading to an immune permissive phenotype.

Abstract Mutant isocitrate-dehydrogenase-1 (IDH1-R132H; mIDH1) is a hallmark of adult gliomas. Lower grade mIDH1 gliomas are classified into two molecular subgroups: (i) 1p/19q co-deletion/TERT-promoter mutations or (ii) inactivating mutations in α-thalassemia/mental retardation syndrome X-linked ( ATRX ) and TP53. This work, relates to the gliomas’ subtype harboring mIDH1, TP53 and ATRX inactivation. IDH1-R132H is a gain-of-function mutation that converts α-ketoglutarate into 2-hydroxyglutarate (D-2HG). The role of D-2HG within the tumor microenvironment of mIDH1/mATRX/mTP53 gliomas remains unexplored. Inhibition of 2HG, when used as monotherapy or in combination with radiation and temozolomide (IR/TMZ), led to increased median survival (MS) of mIDH1 glioma bearing mice. Also, 2HG inhibition elicited anti-mIDH1 glioma immunological memory. In response to 2HG inhibition, PD-L1 expression levels on mIDH1-glioma cells increased to similar levels as observed in wild-type-IDH1 gliomas. Thus, we combined 2HG inhibition/IR/TMZ with anti-PDL1 immune checkpoint-blockade and observed complete tumor regression in 60% of mIDH1 glioma bearing mice. This combination strategy reduced T-cell exhaustion and favored the generation of memory CD8 + T-cells. Our findings demonstrate that metabolic reprogramming elicits anti-mIDH1 glioma immunity, leading to increased MS and immunological memory. Our preclinical data supports the testing of IDH-R132H inhibitors in combination with IR/TMZ and anti-PDL1 as targeted therapy for mIDH1/mATRX/mTP53 glioma patients. Brief Summary Inhibition of 2-Hydroxyglutrate in mutant-IDH1 glioma in the genetic context of ATRX and TP53 inactivation elicits metabolic-reprograming and anti-glioma immunity.

Abstract Mutant isocitrate dehydrogenase 1 (mIDH1; IDH1 R132H ) exhibits a gain of function mutation enabling 2-hydroxyglutarate (2HG) production. 2HG inhibits DNA and histone demethylases, inducing epigenetic reprogramming and corresponding changes to the transcriptome. We previously demonstrated 2HG-mediated epigenetic reprogramming enhances DNA-damage response and confers radioresistance in mIDH1 gliomas harboring p53 and ATRX loss of function mutations. In this study, RNA-seq and ChIP-seq data revealed human and mouse mIDH1 glioma neurospheres have downregulated gene ontologies related to mitochondrial metabolism and upregulated autophagy. Further analysis revealed that the decreased mitochondrial metabolism was paralleled by a decrease in glycolysis, rendering autophagy as a source of energy in mIDH1 glioma cells. Analysis of autophagy pathways showed that mIDH1 glioma cells exhibited increased expression of pULK1-S555 and enhanced LC3 I/II conversion, indicating augmented autophagy activity. This dependence is reflected by increased sensitivity of mIDH1 glioma cells to autophagy inhibition. Blocking autophagy selectively impairs the growth of cultured mIDH1 glioma cells but not wild-type IDH1 (wtIDH1) glioma cells. Targeting autophagy by systemic administration of synthetic protein nanoparticles packaged with siRNA targeting Atg7 (SPNP-siRNA-Atg7) sensitized mIDH1 glioma cells to radiation-induced cell death, resulting in tumor regression, long-term survival, and immunological memory, when used in combination with IR. Our results indicate autophagy as a critical pathway for survival and maintenance of mIDH1 glioma cells, a strategy that has significant potential for future clinical translation. One Sentence Summary The inhibition of autophagy sensitizes mIDH1 glioma cells to radiation, thus creating a promising therapeutic strategy for mIDH1 glioma patients. Graphical abstract Our genetically engineered mIDH1 mouse glioma model harbors IDH1 R132H in the context of ATRX and TP53 knockdown. The production of 2-HG elicited an epigenetic reprogramming associated with a disruption in mitochondrial activity and an enhancement of autophagy in mIDH1 glioma cells. Autophagy is a mechanism involved in cell homeostasis related with cell survival under energetic stress and DNA damage protection. Autophagy has been associated with radio resistance. The inhibition of autophagy thus radio sensitizes mIDH1 glioma cells and enhances survival of mIDH1 glioma-bearing mice, representing a novel therapeutic target for this glioma subtype with potential applicability in combined clinical strategies.

Pediatric high-grade gliomas (pHGGs) are diffuse and highly aggressive CNS tumors which remain incurable, with a 5-year overall survival of less than 20%. Within glioma, mutations in the genes encoding the histones H3.1 and H3.3 have been discovered to be age-restricted and specific of pHGGs. This work focuses on the study of pHGGs harboring the H3.3-G34R mutation. H3.3-G34R tumors represent the 9-15% of pHGGs, are restricted to the cerebral hemispheres, and are found predominantly in the adolescent population (median 15.0 years). We have utilized a genetically engineered immunocompetent mouse model for this subtype of pHGG generated via the Sleeping Beauty-transposon system. The analysis of H3.3-G34R genetically engineered brain tumors by RNA-Sequencing and ChIP-Sequencing revealed alterations in the molecular landscape associated to H3.3-G34R expression. In particular, the expression of H3.3-G34R modifies the histone marks deposited at the regulatory elements of genes belonging to the JAK/STAT pathway, leading to an increased activation of this pathway. This histone G34R-mediated epigenetic modifications lead to changes in the tumor immune microenvironment of these tumors, towards an immune-permissive phenotype, making these gliomas susceptible to TK/Flt3L immune-stimulatory gene therapy. The application of this therapeutic approach increased median survival of H3.3-G34R tumor bearing animals, while stimulating the development of anti-tumor immune response and immunological memory. Our data suggests that the proposed immune-mediated gene therapy has potential for clinical translation for the treatment of patients harboring H3.3-G34R high grade gliomas.

Glioma patients whose tumors carry a mutation in the Isocitrate Dehydrogenase 1 (IDH1R132H) gene are younger at the time of diagnosis and survive longer. The molecular glioma subtype which we modelled, harbors IDH1R132H, tumor protein 53 (TP53) and alpha thalassemia/mental retardation syndrome X-linked (ATRX) loss. The impact of IDH1R132H on genomic stability, DNA damage response (DDR) and DNA repair in this molecular glioma subtype is unknown. We discovered that IDH1R132H expression in the genetic context of ATRX and TP53 inactivation: (i) increases median survival (MS), (ii) enhances DDR activity via epigenetic upregulation of Ataxia-telangiectasia mutated (ATM) signaling, and (iii) elicits tumor radioresistance. Pharmacological inhibition of ATM or checkpoint kinase 1 and 2 (CHK1/2), two essential kinases in the DDR pathways, restored tumor radiosensitivity. Translation of these findings for mIDH1 glioma patients could significantly improve the therapeutic efficacy of radiotherapy, and thus have a major impact on patient survival.