Abstract In a comprehensive study to decipher the multi-layered response to the chemotherapeutic agent temozolomide (TMZ), we analyzed 427 genomes and determined mutational patterns in a collection of ∼40 isogenic DNA repair-deficient human TK6 lymphoblast cell lines. We demonstrate that the spontaneous mutational background is very similar to the aging-associated mutational signature SBS40 and mainly caused by polymerase zeta-mediated translesion synthesis (TLS). MSH2-/- mismatch repair knockout in conjunction with additional repair deficiencies uncovers cryptic mutational patterns. We report how distinct mutational signatures are induced by TMZ upon sequential inactivation of DNA repair pathways, mirroring the acquisition of chemotherapy resistance by glioblastomas. The most toxic adduct induced by TMZ, O 6 -meG, is directly repaired by the O 6 -methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT). In MGMT-/- cells, mismatch repair (MMR) leads to cell death and limits mutagenesis. MMR deficiency results in TMZ resistance, allowing the accumulation of ∼10 5 C>T substitutions corresponding to signature SBS11. Under these conditions, N-alkylated bases, processed by base excision repair (BER), limit cell survival. Without BER, 3-meA is read through via error-prone TLS, causing T>A substitutions but not affecting survival. Blocking BER after abasic site formation results in large deletions and TMZ hypersensitization. Our findings reveal potential vulnerabilities of TMZ-resistant tumors.

Initiation of B-cell receptor (BCR) 1 signaling, and subsequent antigen-encounter in germinal centers 2,3 represent milestones of B-lymphocyte development that are both marked by sharp increases of CD25 surface-expression. Oncogenic signaling in B-cell leukemia (B-ALL) 4 and lymphoma 5 also induced CD25-surface expression. While CD25 is known as an IL2-receptor chain on T- and NK-cells 6-9 , the significance of its expression on B-cells was unclear. Our experiments based on genetic mouse models and engineered patient-derived xenografts revealed that, rather than functioning as an IL2-receptor chain, CD25 expressed on B-cells assembled an inhibitory complex including PKCδ and SHIP1 and SHP1 phosphatases for feedback control of BCR-signaling or its oncogenic mimics. Recapitulating phenotypes of genetic ablation of PKCδ 10 - 12 , SHIP1 13,14 and SHP1 14, 15,16 , conditional CD25-deletion decimated early B-cell subsets but expanded mature B-cell populations and induced autoimmunity. In B-cell malignancies arising from early (B-ALL) and late (lymphoma) stages of B-cell development, CD25-loss induced cell death in the former and accelerated proliferation in the latter. Clinical outcome annotations mirrored opposite effects of CD25-deletion: high CD25 expression levels predicted poor clinical outcomes for patients with B-ALL, in contrast to favorable outcomes for lymphoma-patients. Biochemical and interactome studies revealed a critical role of CD25 in BCR-feedback regulation: BCR-signaling induced PKCδ-mediated phosphorylation of CD25 on its cytoplasmic tail (S 268 ). Genetic rescue experiments identified CD25-S 268 tail-phosphorylation as central structural requirement to recruit SHIP1 and SHP1 phosphatases to curb BCR-signaling. A single point mutation CD25 S268A abolished recruitment and activation of SHIP1 and SHP1 to limit duration and strength of BCR-signaling. Loss of phosphatase-function, autonomous BCR-signaling and Ca 2+ -oscillations induced anergy and negative selection during early B-cell development, as opposed to excessive proliferation and autoantibody production in mature B-cells. These findings highlight the previously unrecognized role of CD25 in assembling inhibitory phosphatases to control oncogenic signaling in B-cell malignancies and negative selection to prevent autoimmune disease.

In most cell types, nuclear β-catenin functions as prominent oncogenic driver and pairs with TCF7-family factors for transcriptional activation of MYC. Surprisingly, B-lymphoid malignancies not only lacked expression and activating lesions of β-catenin but critically depended on GSK3β for effective β-catenin degradation. Our interactome studies in B-lymphoid tumors revealed that β-catenin formed repressive complexes with lymphoid-specific Ikaros factors at the expense of TCF7. Instead of MYC-activation, β-catenin was essential to enable Ikaros-mediated recruitment of nucleosome remodeling and deacetylation (NuRD) complexes for transcriptional repression of MYC. To leverage this previously unrecognized vulnerability of B-cell-specific repressive β-catenin-Ikaros-complexes in refractory B-cell malignancies, we examined GSK3β small molecule inhibitors to subvert β-catenin degradation. Clinically approved GSK3β-inhibitors that achieved favorable safety prof les at micromolar concentrations in clinical trials for neurological disorders and solid tumors were effective at low nanomolar concentrations in B-cell malignancies, induced massive accumulation of β-catenin, repression of MYC and acute cell death. Preclinical in vivo treatment experiments in patient-derived xenografts validated small molecule GSK3β-inhibitors for targeted engagement of lymphoid-specific β-catenin-Ikaros complexes as a novel strategy to overcome conventional mechanisms of drug-resistance in refractory malignancies.Unlike other cell lineages, B-cells express nuclear β-catenin protein at low baseline levels and depend on GSK3β for its degradation.In B-cells, β-catenin forms unique complexes with lymphoid-specific Ikaros factors and is required for Ikaros-mediated tumor suppression and assembly of repressive NuRD complexes. CRISPR-based knockin mutation of a single Ikaros-binding motif in a lymphoid MYC superenhancer region reversed β-catenin-dependent Myc repression and induction of cell death. The discovery of GSK3β-dependent degradation of β-catenin as unique B-lymphoid vulnerability provides a rationale to repurpose clinically approved GSK3β-inhibitors for the treatment of refractory B-cell malignancies.Abundant nuclear β-cateninβ-catenin pairs with TCF7 factors for transcriptional activation of MYCB-cells rely on efficient degradation of β-catenin by GSK3βB-cell-specific expression of Ikaros factors Unique vulnerability in B-cell tumors: GSK3β-inhibitors induce nuclear accumulation of β-catenin.β-catenin pairs with B-cell-specific Ikaros factors for transcriptional repression of MYC.

Malignant transformation typically involves multiple genetic lesions whose combined activity gives rise to cancer1. Our analysis of 1,148 patient-derived B-cell leukemia (B-ALL) samples revealed that individual mutations did not promote leukemogenesis unless they converged on one single oncogenic pathway characteristic for the differentiation status of these transformed B cells. Specifically, we show here the JAK/STAT5 signaling pathway supports the developmental stage-specific expansion of pro-B ALL whereas the ERK-pathway that of pre-B ALL. Mutations that were not aligned with the central oncogenic driver would activate divergent pathways and subvert malignant transformation. Oncogenic lesions in B-ALL frequently mimic survival and proliferation signals downstream of cytokine receptors (through activation of STAT5)2-7 or the pre-B cell receptor (through activation of ERK)8-13. STAT5- (372 cases) and ERK- (386 cases) activating lesions were frequently found but only co-occurred in ~3% (37) of cases (P=2.2E-16). Single-cell mutation and phosphoprotein analyses revealed that even in these rare cases, oncogenic STAT5- or ERK-activation were mutually exclusive and segregated to competing clones. STAT5 and ERK engaged opposing biochemical and transcriptional programs orchestrated by MYC and BCL6, respectively. Genetic reactivation of the divergent (suppressed) pathway came at the expense of the principal oncogenic driver and reversed malignant transformation. Conversely, Cre-mediated deletion of divergent pathway components triggered leukemia-initiation and accelerated development of fatal disease. Thus, persistence of divergent signaling pathways represents a powerful barrier to malignant transformation while convergence on one principal driver defines a key event during leukemia-initiation. Proof-of-concept studies in patient-derived B-ALL cells revealed that pharmacological reactivation of suppressed divergent circuits strongly synergized with direct inhibition of the principal oncogenic driver. Hence, pharmacological reactivation of divergent pathways can be leveraged as a previously unrecognized strategy to deepen treatment responses and to overcome drug-resistance. Current treatment approaches for drug-resistant cancer are focused on drug-combinations to suppress the central oncogenic driver and multiple alternative pathways14-17. Here, we introduce a concept based on inhibition of the principal driver combined with pharmacological reactivation of divergent pathways.