Glioblastoma, the most aggressive and deadly form of primary brain cancer, is driven by both intrinsic cellular properties and external factors from the tumor microenvironment. Here, we leverage our novel human organoid tumor transplantation (HOTT) system to explore how extrinsic cues modulate glioblastoma cell type specification, heterogeneity, and migration. We show that HOTT recapitulates the core features of major patient tumor cell types and key aspects of peritumor cell types, while providing a human microenvironment that uniquely enables perturbations in both the patient tumor and its microenvironment. Our exploration of patient tumor microenvironmental interactions in HOTT highlighted PTPRZ1, a receptor tyrosine phosphatase implicated in tumor migration, as a key player in intercellular communication. We observed that tumor knockdown of PTPRZ1 recapitulated previously described roles in migration and maintaining progenitor identity. Unexpectedly, environmental PTPRZ1 knockdown drove opposite migration and cell fate changes in the tumor, even when the tumor was not manipulated. This previously undiscovered mode of tumor microenvironmental communication highlights the need to study human glioblastoma in the context of a human microenvironment such as HOTT.

Glioblastoma is the deadliest brain cancer in adults and almost all patients succumb to the tumor. While surgery followed by chemo-radiotherapy significantly delays disease progression, these treatments do not lead to long-term tumor control and targeted therapies or biologics have so far failed to further improve survival. Utilizing a transient radiation-induced state of multipotency we used the adenylcyclase activator forskolin to alter the cellular fate of glioma cells in response to radiation. The combined treatment induced the expression of neuronal markers in glioma cells, reduced proliferation and led to a distinct gene expression profile. scRNAseq revealed that the combined treatment forced glioma cells into a microglia- and neuron-like phenotypes. In vivo this treatment led to a loss of glioma stem cells and prolonged median survival in mouse models of glioblastoma. Collectively, our data suggest that revisiting a differentiation therapy with forskolin in combination with radiation could lead to clinical benefit.

Abstract Human brain development requires the generation of hundreds of diverse cell types, a process targeted by recent single-cell transcriptomic profiling efforts. Through a meta-analysis of seven of these published datasets, we have generated 225 meta-modules – gene co-expression networks that can describe mechanisms underlying cortical development. Several meta-modules have potential roles in both establishing and refining cortical cell type identities, and we validated their spatiotemporal expression in primary human cortical tissues. These include meta-module 20, associated with FEZF2+ deep layer neurons. Half of meta-module 20 genes are putative FEZF2 targets, including TSHZ3, a transcription factor associated with neurodevelopmental disorders. Human cortical organoid experiments validated that both factors are necessary for deep layer neuron specification. Importantly, subtle manipulations of these factors drive slight changes in meta-module activity that cascade into strong differences in cell fate – demonstrating how of our meta-atlas can engender further mechanistic analyses of cortical fate specification.