ABSTRACT PTEN, a phosphatase frequently inactivated in melanoma, opposes PI3K/AKT/mTOR pathway activation. However, AKT- and mTOR-targeted therapies have so far yielded insufficient results in preclinical models and clinical trials of melanoma. We therefore examined whether PTEN suppresses melanoma through lipid phosphatase-independent functions or by opposing lipid phosphatase-dependent, AKT-independent pathways. Restoring different PTEN functions in PTEN-deficient cells or mouse models revealed that PTEN lipid phosphatase activity predominantly suppresses melanoma with minimal contribution from its protein phosphatase and scaffold functions. A drug screen highlighted the dependence of PTEN-deficient melanoma cells on the AKT/mTOR pathway. Moreover, activation of AKT was sufficient to overcome several aspects of PTEN-mediated melanoma suppression. Phosphoproteomics analysis of the PTEN lipid phosphatase activity identified the AP-1 transcription factor FRA1 as a downstream effector. PTEN regulates FRA1 translation via AKT/mTOR and FRA1 overexpression overcomes PTEN-mediated melanoma suppression. Our study affirms AKT as the key mediator of PTEN inactivation in melanoma and identifies an AKT/mTOR/FRA1 axis as a driver of melanomagenesis.

ABSTRACT The tumor suppressive miR-29 family of microRNAs is encoded by two clusters, miR-29b1∼a and miR-29b2∼c, and is regulated by several oncogenic and tumor suppressive stimuli. Here we investigated whether oncogenic MAPK hyperactivation regulates miR-29 abundance and how this signaling axis impacts melanoma development. Using mouse embryonic fibroblasts and human melanocytes, we found that oncogenic MAPK signaling stimulates p53-independent and p53-dependent transcription of pri-miR-29b1∼a and pri-miR-29b2∼c, respectively. Expression analyses revealed that while pri-miR-29a∼bl remains elevated, pri-miR-29b2∼c levels decrease during melanoma progression. Using a rapid mouse modeling platform, we showed that inactivation of miR-29 in vivo accelerates melanoma development and decreases overall survival. We identified the transcription factor MAFG as a bona fide miR-29 target that has oncogenic potential in melanocytes and is required for growth of melanoma cells. Our findings suggest that MAPK-induced miR-29 contributes to a tumor suppressive barrier by targeting MAFG, which is overcome by attenuation of miR-29b2∼c expression.

SUMMARY Somatic copy number alterations (CNAs) promote cancer, but the underlying driver genes are often not obvious when only the functions of the encoded proteins are considered. mRNAs can act as competitive endogenous miRNA sponges (ceRNAs) to post-transcriptionally regulate gene expression in a protein coding-independent manner. However, whether ceRNAs contribute to the oncogenic effects of CNAs is unknown. We report that chromosome 1q gains promote melanoma progression and metastasis at least in part through overexpression of three mRNAs with ceRNA activity: CEP170, NUCKS1 , and ZC3H11A . Genetic studies reveal that these ceRNAs enhance melanoma metastasis by sequestering tumor suppressor miRNAs, thereby alleviating the repression of several pro-metastatic target genes. This regulatory RNA network is evident in other cancer types, suggesting that chromosome 1q ceRNA deregulation is a common driver of cancer progression. Taken together, our work demonstrates that ceRNAs mediate the oncogenicity of somatic CNAs.

The cumbersome and time-consuming process of generating new mouse strains and multi-allelic experimental animals often hinders the use of genetically engineered mouse models (GEMM) in cancer research. Here, we describe the development and validation of an embryonic stem cell (ESC)-GEMM platform for rapid modeling of melanoma in mice. Our platform incorporates twelve clinically relevant genotypes composed of combinations of four driver alleles (LSL-BrafV600E, LSL-NrasQ61R, PtenFlox, Cdkn2aFlox) and regulatory alleles to spatiotemporally control the perturbation of genes-of-interest. Our ESCs produce high contribution chimeras, which recapitulate the melanoma phenotypes of conventionally bred mice. Using our ESC-GEMM platform to modulate Pten expression in melanocytes in vivo, we highlight the utility and advantages of gene depletion by CRISPR-Cas9, RNAi, or conditional knockout for melanoma modeling. Moreover, we use complementary genetic methods to demonstrate the impact of Pten restoration on the prevention and maintenance of Pten-deficient melanomas. Finally, we show that chimera-derived melanoma cell lines retain regulatory allele competency and are a powerful resource to complement ESC-GEMM chimera experiments in vitro and in syngeneic grafts in vivo. Thus, when combined with sophisticated genetic tools, our ESC-GEMM platform enables rapid, high-throughput, and versatile studies aimed at addressing outstanding questions in melanoma biology.

ABSTRACT Overexpression of PHGDH, the rate-limiting enzyme in the serine synthesis pathway, promotes melanomagenesis, melanoma cell proliferation, and survival of metastases in serine-low environments such as the brain. While PHGDH amplification explains PHGDH overexpression in a subset of melanomas, we find that PHGDH levels are universally increased in melanoma cells due to oncogenic BRAF V600E promoting PHGDH transcription through mTORC1-mediated translation of ATF4. Importantly, PHGDH expression was critical for melanomagenesis as depletion of PHGDH in genetic mouse models blocked melanoma formation. Despite BRAF V600E - mediated upregulation, PHGDH was further induced by exogenous serine restriction. Surprisingly, BRAF V600E inhibition diminished serine restriction-mediated PHGDH expression by preventing ATF4 induction, creating a potential vulnerability whereby melanoma cells could be specifically starved of serine by combining BRAF V600E inhibition with exogenous serine restriction. Indeed, we show that this combination promoted cell death in vitro and attenuated melanoma growth in vivo. This study identified a melanoma cell-specific PHGDH-dependent vulnerability.

Transcription factor deregulation potently drives melanoma progression by dynamically and reversibly controlling gene expression programs. We previously identified the small MAF family transcription factor MAFG as a putative driver of melanoma progression, prompting an in-depth evaluation of its role in melanoma. MAFG expression increases with human melanoma stages and ectopic MAFG expression enhances the malignant behavior of human melanoma cells in vitro, xenograft models, and genetic mouse models of spontaneous melanoma. Moreover, MAFG induces a melanoma phenotype switch from a melanocytic state to a more dedifferentiated state. Mechanistically, MAFG interacts with the lineage transcription factor MITF which is required for the pro-tumorigenic effects of MAFG. MAFG and MITF co-occupy numerous genomic sites and MAFG overexpression influences the expression of genes harboring binding sites for the MAFG∼MITF complex. These results establish MAFG as a potent driver of melanomagenesis through dimerization with MITF and uncover an unappreciated mechanism of MITF regulation.