ABSTRACT Chromosome 8 (chr8) gains are common in cancer. However, their potential contribution to tumor heterogeneity is largely unexplored. Ewing sarcoma (EwS) is characterized by pathognomonic FET::ETS fusions, but show a general paucity of other recurrent somatic mutations that could explain the observed clinical diversity. In EwS, chr8 gains are the second most common genetic alteration rendering EwS an ideal model to investigate the relevance of chr8 gains in an otherwise silent genomic context. Here, we report that chr8 gain-driven gene expression patterns correlate with poor overall survival of EwS patients. This effect is predominantly mediated by increased expression of the translation initiation factor binding protein 4E-BP1 encoded by EIF4EBP1 on chr8. High EIF4EBP1 expression showed the strongest association with poor overall patient survival among all chr8-encoded genes and correlated with chr8 gains in EwS tumors. Similar findings were made in numerous entities of The Cancer Genome Atlas (TCGA). In the EwS model, silencing of 4E-BP1 reduced cell proliferation, clonogenicity, spheroidal growth in vitro , and tumorigenesis in vivo . Integrated multi- omics profiling uncovered that 4E-BP1 orchestrates a multifunctional proteomic network including hubs affecting RNA processing, translational regulation, and chromatin modification. Drug screens and functional assays revealed that high 4E-BP1 expression sensitizes for pharmacological CDK4/6 inhibition in preclinical models. Collectively, we establish chr8 gains and high 4E-BP1 expression as prognostic biomarkers in EwS and demonstrate that their association with poor patient outcome is primarily mediated by 4E-BP1 orchestrating a multifunctional proteomic network sensitizing EwS for CDK4/6 inhibitors. Our data suggest that testing for chr8 gain may improve risk-stratification and therapeutic management in EwS and other cancers.

Ewing sarcoma (EwS) is a highly aggressive bone and soft-tissue associated cancer for which there are no effective targeted therapeutics available. Genetically, EwS is driven by aberrantly active EWSR1::ETS fusion transcription factors, most commonly EWSR1::FLI1. Despite their unique expression in EwS, all attempts to effectively target these fusion oncoproteins clinically were not yet successful, wherefore alternative targets are required. Here, we functionally characterize the evolutionarily conserved oxidative stress regulator glutaredoxin 3 (GLRX3) as a EwS-specific and EWSR1::FLI1-dependent vulnerability. Through integration of transcriptome-profiling, conditional drug screens in 3D cultures, and functional experiments, we discover that GLRX3 promotes EwS growth in vitro and in vivo, and that it has a key role in mitigation of oxidative stress and maintenance of iron homeostasis. These GLRX3 functions can be exploited in both GLRX3-high and -low expressing EwS cells by targeted therapeutics including CDK4/6 inhibitors and inducers of apoptotic and ferroptotic cell death. Collectively, our results exemplify how the interplay of an evolutionarily conserved oxidative stress regulator with a dominant oncogene can promote malignancy but provide opportunities for predictive diagnostics and personalized therapy.

Deciphering principles of inter-individual tumor heterogeneity is essential for refinement of personalized anti-cancer therapy. Unlike cancers of adulthood, pediatric malignancies including Ewing sarcoma (EwS) feature a striking paucity of somatic alterations except for pathognomonic driver-mutations that cannot explain overt variations in clinical outcome. Here we demonstrate in the EwS model how cooperation of a dominant oncogene and regulatory variants determine tumor growth, patient survival and drug response. We show that binding of the oncogenic EWSR1-FLI1 fusion transcription factor to a polymorphic enhancer-like DNA element controls expression of the transcription factor MYBL2, whose high expression promotes poor patient outcome via activation of pro-proliferative signatures. Analysis of paired germline and tumor whole-genome sequencing data revealed that regulatory variability at this locus is inherited via the germline. CRISPR-mediated interference with this regulatory element almost abolished MYBL2 transcription, and MYBL2 knockdown decreased cell proliferation, cell survival and tumorigenicity of EwS cells. Combined RNA- and ChIP-seq analyses as well as functional experiments and clinical data identified CCNF, BIRC5 and AURKB as direct MYBL2 targets and critical mediators of its phenotype. In drug-response experiments, high MYBL2 levels sensitized EwS cells for inhibition of its activating cyclin dependent kinase CDK2 in vitro and in vivo, suggesting MYBL2 as a predictive biomarker for targeted anti-CDK2-therapy. Collectively, our findings establish cooperation of somatic mutations and regulatory germline variants as a major determinant of tumor progression and indicate the importance of integrating the regulatory genome in the process of developing new diagnostic and/or therapeutic strategies to fully harness the potential of precision medicine.

ABSTRACT Chimeric fusion transcription factors are oncogenic hallmarks of several devastating cancer types including pediatric sarcomas, such as Ewing sarcoma (EwS) and alveolar rhabdomyosarcoma (ARMS). Despite their exquisite specificity, these driver oncogenes have been considered largely undruggable due to their lack of enzymatic activity. Here, we show in the EwS model that – capitalizing on neomorphic DNA-binding preferences – the addiction to the respective fusion transcription factor EWSR1-FLI1 can be leveraged to express therapeutic genes. We genetically engineered a de novo enhancer-based, synthetic and highly potent expression cassette that can elicit EWSR1-FLI1-dependent expression of a therapeutic payload as evidenced by episomal and CRISPR-edited genomic reporter assays. Combining in silico screens and immunohistochemistry, we identified GPR64 as a highly specific cell surface antigen for targeted transduction strategies in EwS. Functional experiments demonstrated that anti-GPR64-pseudotyped lentivirus harboring our expression cassette can specifically transduce EwS cells to promote the expression of viral thymidine kinase sensitizing EwS for treatment to the otherwise relatively non-toxic (Val)ganciclovir and leading to strong anti-tumorigenic, but no adverse effects in vivo . Further, we prove that similar vector designs can be applied in PAX3-FOXO1-driven ARMS, and to express immunomodulatory cytokines, such as IL-15 and XCL1, in tumor types typically considered to be immunologically ‘cold’. Collectively, these results generated in pediatric sarcomas indicate that exploiting, rather than suppressing, the neomorphic functions of chimeric transcription factors may open inroads to innovative and personalized therapies, and that our highly versatile approach may be translatable to other cancers addicted to oncogenic transcription factors with unique DNA-binding properties.

ABSTRACT Identification of cancer stemness genes is crucial to understanding the underlying biology of therapy resistance, relapse, and metastasis. Ewing sarcoma (EwS) is the second most common bone tumor in children and adolescents. It is a highly aggressive cancer associated with a dismal survival rate (<30%) for patients with metastatic disease at diagnosis (∼25% of cases). Hence, deciphering the underlying mechanisms of metastasis is imperative. EwS tumors are characterized by a remarkably ‘silent’ genome with a single driver mutation generating an oncogenic fusion transcription factor ( EWSR1-ETS ). Thus, EwS constitutes an ideal model to study how perturbation of a transcriptional network by a dominant oncogene can mediate metastasis, even though canonical metastasis-associated genes are not mutated. Here, through the implementation of an integrative systems biology approach, we identified transcription factor 7 like 1 ( TCF7L1 , alias TCF3 ) as a prognostically-relevant and EWSR1-ETS suppressed determinant of metastasis in EwS. We demonstrated that conditional TCF7L1 re-expression significantly reduces EwS single-cell migration, invasion and anchorage-independent growth in 3D assays in vitro , and tumorigenesis in vivo mediated by its DNA binding domain. In primary EwS tumors as well as in functional orthotopic in vivo models, low TCF7L1 expression was associated with pro-metastatic gene signatures and a much higher migratory and metastatic capacity of EwS cells, which correlated with poor outcome of EwS patients. Collectively, our findings establish TCF7L1 as a major regulator of metastasis in EwS, which may be utilized as a prognostic biomarker and open inroads to future therapeutic intervention.