HPV + oropharyngeal squamous cell carcinoma (OPC) incidence recently surpassed cervical cancer and is the most common HPV-related cancer in the developed world. HPV16 is in ∼90 % of HPV + OPCs, with episomal genomes in the majority of cases. Most existing HPV16+ cancer cell lines derive from outside the oropharynx and harbor integrated HPV genomes. Thus, there is need for OPC preclinical models to evaluate standard and experimental therapeutics in the presence of episomal HPV16 oncogenic drivers. Here we characterize HPV genome structures in eight HPV16+ OPC patient-derived xenografts (PDXs), and evaluate their responses to standard chemotherapy. HPV genome state was investigated by combining Southern blot, T5 exonuclease assay, whole genome sequencing, and RNAseq data. This analysis revealed complexity and variation in integrated vs. episomal HPV forms across PDXs and demonstrated that four PDXs predominantly contain episomal HPV16. Episomal status did not ensure favorable in vivo responses to cisplatin therapy, despite the more favorable prognosis previously attributed to episomal HPV + tumors; this could be due to the small number present in the dataset. Our analysis establishes PDX models as test platforms for novel therapies designed to target maintenance of the episomal forms of HPV16 that commonly appear in OPC.

Abstract Human papillomaviruses recruit a host of DNA damage response factors to their viral genome to facilitate homologous recombination replication in association with the viral replication factors E1 and E2. We previously demonstrated that SIRT1 deacetylation of WRN promotes recruitment of WRN to E1-E2 replicating DNA, and that WRN regulates both the levels and fidelity of E1-E2 replication. The deacetylation of WRN by SIRT1 results in an active protein able to complex with replicating DNA, but a protein that is less stable. Here we demonstrate an inverse correlation between SIRT1 and WRN in CIN cervical lesions when compared with normal control tissue, supporting our model of SIRT1 deacetylation destabilizing WRN protein. We CRISPR/Cas9 edited N/Tert-1 and N/Tert-1+HPV16 cells to knock out WRN protein expression and subjected the cells to organotypic raft cultures. In N/Tert-1 cells without WRN expression there was enhanced basal cell proliferation, DNA damage and thickening of the differentiated epithelium. In N/Tert-1+HPV16 cells, there was enhanced basal cell proliferation, increased DNA damage throughout the epithelium and increased viral DNA replication. Overall, the results demonstrate that the expression of WRN is required to control the proliferation of N/Tert-1 cells and controls the HPV16 life cycle in these cells. This complements our previous data demonstrating that WRN controls the levels and fidelity of HPV16 E1-E2 DNA replication. The results describe a new role for WRN, a tumor suppressor, in controlling keratinocyte differentiation and the HPV16 life cycle. Importance HPV16 is the major human viral carcinogen, responsible for around 3-4% of all cancers worldwide. Our understanding of how the viral replication machinery interacts with host factors to control/activate the DNA damage response to promote the viral life cycle remains incomplete. Recently, we demonstrated a SIRT1-WRN axis that controls HPV16 replication and here we demonstrate that this axis persists in clinical cervical lesions induced by HPV16. Here we describe the effects of WRN depletion on cellular differentiation with and without HPV16; WRN depletion results in enhanced proliferation and DNA damage irrespective of HPV16 status. Also, WRN is a restriction factor for the viral life cycle as replication is disrupted in the absence of WRN. Future studies will focus on enhancing our understanding of how WRN regulates viral replication. Our goal is to ultimately identify cellular factors essential for HPV16 replication that can be targeted for therapeutic gain.

Abstract During the human papillomavirus 16 (HPV16) life cycle, the E2 protein interacts with host factors to regulate viral transcription, replication and genome segregation/retention. Our understanding of host partner proteins and their roles in E2 functions remains incomplete. Here, we demonstrate that CK2 phosphorylation of E2 on serine 23 promotes interaction with TopBP1 in vitro and in vivo , and that E2 is phosphorylated on this residue during the HPV16 life cycle. We investigated the consequences of mutating serine 23 on E2 functions. E2-S23A activates and represses transcription identically to E2-WT (wild-type), and E2-S23A is as efficient as E2-WT in transient replication assays. However, E2-S23A has compromised interaction with mitotic chromatin when compared with E2-WT. In E2-WT cells, both E2 and TopBP1 levels increase during mitosis when compared with vector control cells. In E2-S23A cells, neither E2 nor TopBP1 levels increase during mitosis. We next tested whether this difference in E2-S23A levels during mitosis disrupts E2 plasmid retention function. We developed a novel plasmid retention assay and demonstrate that E2-S23A is deficient in plasmid retention when compared with E2-WT. siRNA targeted knockdown of TopBP1 abrogates E2-WT plasmid retention function. Introduction of the S23A mutation into the HPV16 genome resulted in delayed immortalization of human foreskin keratinocytes (HFK) and higher episomal viral genome copy number in resulting established HFK. Overall, our results demonstrate that CK2 phosphorylation of E2 on serine 23 promotes interaction with TopBP1, which is critical for E2 plasmid retention function and in HPV16 immortalization of keratinocytes. Importance Human papillomaviruses are causative agents in around 5% of all cancers, with no specific anti-viral therapeutics available for treating infections or resultant cancers. In this report, we demonstrate that phosphorylation of HPV16 E2 by CK2 promotes formation of a complex formation with the cellular protein TopBP1 in vitro and in vivo . This complex results in stabilization of E2 during mitosis and mediates plasmid retention by E2. This function promotes the partitioning of viral genomes into the nuclei of daughter cells following mitosis. We demonstrate that CK2 phosphorylates E2 on serine 23 in vivo , and that CK2 inhibitors disrupt the E2-TopBP1 complex. Mutation of E2 serine 23 to alanine disrupts the HPV16 life cycle, demonstrating a critical function for this residue. Together, our results suggest that CK2 inhibitors may disrupt the E2-TopBP1 dependent HPV16 life cycle and potentially kill HPV16 positive cancers, which lays a molecular foundation to develop novel therapeutic approaches for combating HPV16 disease.

Abstract Human papillomavirus 16 (HPV16) E2 is a DNA binding protein that regulates transcription, replication and potentially, segregation of the HPV16 genome during the viral life cycle. In the segregation model, E2 simultaneously binds to viral and host chromatin, acting as a bridge to ensure that viral genomes reside in daughter nuclei following cell division. The host chromatin receptor for E2 mediating this function is unknown. Recently, we demonstrated that CK2 phosphorylation of E2 on serine 23 (S23) is required for interaction with TopBP1, and that this interaction promotes E2 and TopBP1 recruitment to mitotic chromatin. Here, we demonstrate that in U2OS and N/Tert-1 cells expressing wild type E2 and a non-TopBP1 binding mutant (S23A, serine 23 mutated to alanine), interaction with TopBP1 is essential for E2 recruitment of plasmids to mitotic chromatin. Using a novel quantitative segregation assay, we demonstrate that interaction with TopBP1 is required for E2 plasmid segregation. The interaction of E2 with TopBP1 promotes increased levels of E2 protein during mitosis in U2OS and N/Tert-1 cells, as well as in human foreskin keratinocytes immortalized by the HPV16 genome. Additionally, interaction with TopBP1 is required for expression of the E2 protein during the viral life cycle. Overall, our results demonstrate that E2 has plasmid segregation activity, and that the E2-TopBP1 interaction is essential for this E2 function and for E2 expression during the viral life cycle. Importance HPV16 causes 3-4% of all human cancers. During the viral life cycle, it is proposed that the viral genome is actively segregated into daughter nuclei, ensuring viral replication in the subsequent S phase. The E2 protein potentially bridges the viral and host genomes during mitosis to mediate segregation of the circular viral plasmid. Here, we demonstrate that E2 has the ability to mediate plasmid segregation, and that this function is dependent upon interaction with the host protein TopBP1. Additionally, we demonstrate that the E2-TopBP1 interaction promotes enhanced E2 expression during mitosis which likely promotes the plasmid segregation function of E2. Overall, our results present a mechanism of how HPV16 can segregate its viral genome during an active infection, a critical aspect of the viral life cycle.

Abstract CK2 phosphorylation of HPV16 E2 at serine 23 promotes interaction with TopBP1, and this interaction is important for E2 plasmid segregation function. Here we demonstrate that the E2-TopBP1 interaction is critical for E2 and viral genome stability during the viral life cycle. Introduction of the S23A mutation into the HPV16 genome results in a loss of E2 expression and viral genome integration during organotypic rafting. Co-culture of N/Tert-1+E2-S23A cells with J2 fibroblasts results in E2-S23A degradation via the proteasome, wild-type E2 is not degraded. TopBP1 siRNA treatment of N/Tert-1+E2-WT cells results in E2 degradation only in the presence of J2 cells demonstrating the critical role for TopBP1 in maintaining E2 stability. The CK2 inhibitor CX4945 promotes E2-WT degradation in the presence of fibroblasts as it disrupts E2-TopBP1 interaction. siRNA targeting SIRT1 rescues E2-S23A stability in N/Tert-1 cells treated with J2 fibroblasts, with an increased E2-S23A acetylation. The results demonstrate that the E2-TopBP1 interaction is critical during the viral life cycle as it prevents fibroblast stimulated SIRT1 mediated deacetylation of E2 that promotes protein degradation. This means that the E2-TopBP1 complex maintains E2 and viral genome stability and that disruption of this complex can promote viral genome integration. Finally, we demonstrate that HPV11 E2 also interacts with TopBP1 and that this interaction is critical for HPV11 E2 stability in the presence of J2 cells. Treatment of N/Tert-1+11E2-WT cells with CX4945 results in 11E2 degradation. Therefore, CK2 inhibition is a therapeutic strategy for alleviating HPV11 diseases, including juvenile respiratory papillomatosis. Importance Human papillomaviruses are pathogens that cause a host of diseases ranging from benign warts to cancers. There are no therapeutics available for combating these diseases that directly target viral proteins or processes, therefore we must enhance our understanding of HPV life cycles to assist with identifying novel treatments. In this report, we demonstrate that HPV16 and HPV11 E2 protein expression is dependent upon TopBP1 interaction in keratinocytes interacting with fibroblasts, which recapitulate stromal interactions in culture. The degradation of 16E2 promotes HPV16 genome integration, therefore the E2-TopBP1 interaction is critical during the viral life cycle. We demonstrate that the CK2 inhibitor CX4945 disrupts HPV11 interaction with TopBP1 and destabilizes HPV11 E2 protein in the presence of J2 fibroblasts; we propose that CX4945 could alleviate HPV11 disease burden.

During the human papillomavirus 16 life cycle, the E2 protein binds simultaneously to the viral genome and host chromatin throughout mitosis, ensuring viral genomes reside in daughter cell nuclei following cell division. Previously, we demonstrated that CK2 phosphorylation of E2 on serine 23 promotes interaction with TopBP1, and that this interaction is required for optimum E2 mitotic chromatin association and plasmid segregation function. Others have implicated BRD4 in mediating the plasmid segregation function of E2 and we have demonstrated that there is a TopBP1-BRD4 complex in the cell. We therefore further investigated the role of the E2-BRD4 interaction in mediating E2 association with mitotic chromatin and plasmid segregation function. Using a combination of immunofluorescence and our novel plasmid segregation assay in U2OS and N/Tert-1 cells stably expressing a variety of E2 mutants, we report that direct interaction with the BRD4 carboxyl-terminal motif (CTM) and TopBP1 is required for E2 association with mitotic chromatin and plasmid segregation. We also identify a novel TopBP1 mediated interaction between E2 and the BRD4 extra-terminal (ET) domain in vivo . Overall, the results demonstrate that direct interaction with TopBP1 and the BRD4 CTM are required for E2 mitotic chromatin association and plasmid segregation function. Disruption of this complex offers therapeutic options for targeting segregation of viral genomes into daughter cells, potentially combatting HPV16 infections, and cancers that retain episomal genomes.HPV16 is a causative agent in around 3-4% of all human cancers and currently there are no anti-viral therapeutics available for combating this disease burden. In order to identify new therapeutic targets, we must increase our understanding of the HPV16 life cycle. Previously, we demonstrated that an interaction between E2 and the cellular protein TopBP1 mediates the plasmid segregation function of E2, allowing distribution of viral genomes into daughter nuclei following cell division. Here, we demonstrate that E2 interaction with an additional host protein, BRD4, is also essential for E2 segregation function, and that BRD4 exists in a complex with TopBP1. Overall, these results enhance our understanding of a critical part of the HPV16 life cycle and presents several therapeutic targets for disruption of the viral life cycle.

Abstract Human papillomaviruses (HPV) are causative agents in ano-genital and oral cancers; HPV16 is the most prevalent type detected in human cancers. The HPV16 E6 protein targets p53 for proteasomal degradation to facilitate proliferation of the HPV16 infected cell. However, in HPV16 immortalized cells E6 is predominantly spliced (E6*) and unable to degrade p53. Here we demonstrate that human foreskin keratinocytes immortalized by HPV16 (HFK+HPV16), and HPV16 positive oropharyngeal cancers, retain significant expression of p53. In addition, p53 levels can be increased in HPV16+ head and neck cancer cell lines following treatment with cisplatin. Introduction of full-length E6 into HFK+HPV16 resulted in attenuation of cellular growth (in hTERT immortalized HFK, E6 expression promoted enhanced proliferation). An understudied interaction is that between E2 and p53 and we investigated whether this was important for the viral life cycle. We generated mutant genomes with E2 unable to interact with p53 resulting in profound phenotypes in primary HFK. The mutant induced hyper-proliferation, but an ultimate arrest of cell growth; β-galactosidase staining demonstrated increased senescence, and COMET assays showed increased DNA damage compared with HFK+HPV16 wild type cells. There was failure of the viral life cycle in organotypic rafts with the mutant HFK resulting in premature differentiation and reduced proliferation. The results indicate that the E2-p53 interaction is critical during the HPV16 life cycle, and that disruption of this interaction has anti-viral potential. We discuss potential mechanisms to explain these phenotypes. Importance Human papillomaviruses are causative agents in around 5% of all cancers. There are currently no antivirals available to combat these infections and cancers, therefore it remains a priority to enhance our understanding of the HPV life cycle. Here we demonstrate that an interaction between the viral replication/transcription/segregation factor E2 and the tumor suppressor p53 is critical for the HPV16 life cycle. HPV16 immortalized cells retain significant expression of p53, and the critical role for the E2-p53 interaction demonstrates why this is the case. If the E2-p53 interaction is disrupted then HPV16 immortalized cells fail to proliferate, have enhanced DNA damage and senescence, and there is premature differentiation during the viral life cycle. Results suggest that targeting the E2-p53 interaction would have therapeutic benefits, potentially attenuating the spread of HPV16.

Human papillomaviruses are causative agents in 5% of all cancers, including the majority of ano-genital and oropharyngeal cancers. Downregulation of innate immune genes (IIGs) by HPV to promote the viral life cycle is well documented; E6 and E7 are known repressors of these genes. More recently we demonstrated that E2 could also repress IIGs. These studies have been carried out in cells over-expressing the viral proteins and to further investigate the role of individual viral proteins in this repression we introduced stop codons into E6 and/or E7 in the entire HPV16 genome and generated N/Tert-1 cells stably maintaining the HPV16 genomes. We demonstrate that E6 or E7 individually are not sufficient to repress IIG expression in the context of the entire HPV16 genome, both are required for a synergistic repression. The DNA damage response (DDR) is activated by HPV16 irrespective of E6 and E7 expression, presumably due to viral replication; E1 is a known activator of the DDR. In addition, replication stress was apparent in the HPV16 positive cells lacking E6 and E7, manifested by attenuated cellular growth and activation of replication stress genes. These studies lead us to the following model. Viral replication per se can activate the DDR following infection, and this activation is a known inducer of IIG expression which could induce cellular senescence. To combat this, E6 and E7 synergistically combine to manipulate the DDR and actively repress innate immune gene expression promoting cellular growth; neither protein by itself is able to do this.

Abstract Currently, there are no specific antiviral therapeutic approaches targeting Human papillomaviruses (HPVs), which cause around 5% of all human cancers. Specific antiviral reagents are particularly needed for HPV-related oropharyngeal cancers (HPV + OPCs) whose incidence is increasing and for which there are no early diagnostic tools available. We and others have demonstrated that the estrogen receptor alpha (ERα) is overexpressed in HPV + OPCs, compared to HPV-negative cancers in this region, and that these elevated levels are associated with an improved disease outcome. Utilizing this HPV + specific overexpression profile, we previously demonstrated that estrogen attenuates the growth and cell viability of HPV + keratinocytes and HPV + cancer cells in vitro . Expansion of this work in vivo failed to replicate this sensitization. The role of stromal support from the tumor microenvironment (TME) has previously been tied to both the HPV lifecycle and in vivo therapeutic responses. Our investigations revealed that in vitro co-culture with fibroblasts attenuated HPV + specific estrogen growth responses. Continuing to monopolize on the HPV + specific overexpression of ERα, our co-culture models then assessed the suitability of the selective estrogen receptor modulators (SERMs), raloxifene and tamoxifen, and showed growth attenuation in a variety of our models to one or both of these drugs in vitro. Utilization of these SERMs in vivo closely resembled the sensitization predicted by our co-culture models. Therefore, the in vitro fibroblast co-culture model better predicts in vivo responses. We propose that utilization of our co-culture in vitro model can accelerate cancer therapeutic drug discovery. Importance Human papillomavirus-related cancers (HPV + cancers) remain a significant public health concern, and specific clinical approaches are desperately needed. In translating drug response data from in vitro to in vivo , the fibroblasts of the adjacent stromal support network play a key role. Our study presents the utilization of a fibroblast 2D co-culture system to better predict translational drug assessments for HPV + cancers. We also suggest that this co-culture system should be considered for other translational approaches. Predicting even a portion of treatment paradigms that may fail in vivo with a co-culture model will yield significant time, effort, resource, and cost efficiencies.