Human cells have twenty-three pairs of chromosomes. In cancer, however, genes can be amplified in chromosomes or in circular extrachromosomal DNA (ecDNA), although the frequency and functional importance of ecDNA are not understood. We performed whole-genome sequencing, structural modelling and cytogenetic analyses of 17 different cancer types, including analysis of the structure and function of chromosomes during metaphase of 2,572 dividing cells, and developed a software package called ECdetect to conduct unbiased, integrated ecDNA detection and analysis. Here we show that ecDNA was found in nearly half of human cancers; its frequency varied by tumour type, but it was almost never found in normal cells. Driver oncogenes were amplified most commonly in ecDNA, thereby increasing transcript level. Mathematical modelling predicted that ecDNA amplification would increase oncogene copy number and intratumoural heterogeneity more effectively than chromosomal amplification. We validated these predictions by quantitative analyses of cancer samples. The results presented here suggest that ecDNA contributes to accelerated evolution in cancer.

ABSTRACT Oxidative phosphorylation and glycolysis are the dominant ATP-generating pathways in mammalian metabolism. The balance between these two pathways is often shifted to execute cell-specific functions in response to stimuli that promote activation, proliferation, or differentiation. However, measurement of these metabolic switches has remained mostly qualitative, making it difficult to discriminate between healthy, physiological changes in energy transduction or compensatory responses due to metabolic dysfunction. We therefore developed a broadly applicable method to calculate ATP production rates from oxidative phosphorylation and glycolysis using Seahorse XF Analyzer data. We quantified the bioenergetic changes observed during macrophage polarization as well as cancer cell adaptation to in vitro culture conditions. Additionally, we detected substantive changes in ATP utilization upon neuronal depolarization and T cell receptor activation that are not evident from steady-state ATP measurements. This method generates a single readout that allows the direct comparison of ATP produced from oxidative phosphorylation and glycolysis in live cells. Additionally, the manuscript provides a framework for tailoring the calculations to specific cell systems or experimental conditions.

Glioblastoma (GBM) represents the most aggressive subtype of glioma, noted for its profound invasiveness and molecular heterogeneity. The mesenchymal (MES) transcriptomic subtype is frequently associated with therapy resistance, rapid recurrence, and increased tumor-associated macrophages. Notably, activation of the NF-κB pathway and alterations in the PTEN gene are both associated with this malignant transition. Although PTEN aberrations have been shown to be associated with enhanced NF-κB signaling, the relationships between PTEN, NF-κB and MES transition are poorly understood in GBM. Here, we show that PTEN regulates the chromatin binding of bromodomain and extraterminal (BET) family proteins, BRD2 and BRD4, mediated by p65/RelA localization to the chromatin. By utilizing patient-derived glioblastoma stem cells and CRISPR gene editing of the RELA gene, we demonstrate a crucial role for RelA lysine 310 acetylation in recruiting BET proteins to chromatin for MES gene expression and GBM cell invasion upon PTEN loss. Remarkably, we found that BRD2 is dependent on chromatin associated acetylated RelA for its recruitment to MES gene promoters and their expression. Furthermore, loss of BRD2 results in the loss of MES signature, accompanied by an enrichment of proneural signature and enhanced therapy responsiveness. Finally, we demonstrate that disrupting the NFκB/BRD2 interaction with a brain penetrant BET-BD2 inhibitor reduces mesenchymal gene expression, GBM invasion, and therapy resistance in GBM models. This study uncovers the role of hitherto unexplored PTEN-NF-κB-BRD2 pathway in promoting MES transition and suggests inhibiting this complex with BET-BD2 specific inhibitors as a therapeutic approach to target the MES phenotype in GBM.

Abstract Background Chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapies targeting glioblastoma (GBM)-associated antigens such as interleukin-13 receptor subunit alpha-2 (IL-13Rα2) have achieved limited clinical efficacy to date, in part due to an immunosuppressive tumor microenvironment (TME) characterized by inhibitory molecules such as transforming growth factor-beta (TGF-β). The aim of this study was to engineer more potent GBM-targeting CAR-T cells by countering TGF-β-mediated immune suppression in the TME. Methods We engineered a single-chain, bispecific CAR targeting IL-13Rα2 and TGF-β, which programs tumor-specific T cells to convert TGF-β from an immunosuppressant to an immunostimulant. Bispecific IL-13Rα2/TGF-β CAR-T cells were evaluated for efficacy and safety against both patient-derived GBM xenografts and syngeneic models of murine glioma. Results Treatment with IL-13Rα2/TGF-β CAR-T cells leads to greater T-cell infiltration and reduced suppressive myeloid cell presence in the tumor-bearing brain compared to treatment with conventional IL-13Rα2 CAR-T cells, resulting in improved survival in both patient-derived GBM xenografts and syngeneic models of murine glioma. Conclusions Our findings demonstrate that by reprogramming tumor-specific T-cell responses to TGF-β, bispecific IL-13Rα2/TGF-β CAR-T cells resist and remodel the immunosuppressive TME to drive potent anti-tumor responses in GBM.

Background: Glioblastoma is the deadliest brain tumor in adults and the standard-of-care consists of surgery followed by radiation and treatment with temozolomide. Overall survival times for patients suffering from glioblastoma are unacceptably low indicating an unmet need for novel treatment options. Methods: Using patient-derived glioblastoma lines and mouse models of glioblastoma we test the effect of radiation and the dopamine receptor antagonist on glioblastoma self-renewal in vitro and survival in vivo. A possible resistance mechanism is investigated using RNA-Sequencing. Results: Treatment of glioma cells with the dopamine receptor antagonist quetiapine reduced glioma cell self-renewal in vitro and combined treatment of mice with quetiapine and radiation prolonged the survival of glioma-bearing animals. The combined treatment induced the expression of genes involved in cholesterol biosynthesis. This rendered the tumors vulnerable to simultaneous treatment with atorvastatin and further significantly prolonged the survival of the animals. Conclusions: Our results indicate high efficacy of a triple combination of quetiapine, atorvastatin and radiation against glioblastoma without increasing the toxicity of radiation. With both drugs readily available for clinical use our study could be rapidly translated into a clinical trial.

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.

Abstract Targeting glioblastoma (GBM) based on molecular subtyping have not yet translated into successful therapies. Here, we used gene set enrichment analysis (GSEA) to conduct an unsupervised clustering analysis to condense the gene expression data from bulk patient samples and patient-derived gliomasphere lines into new gene lists. We then identified key molecular pathways differentially regulated between tumors. These gene lists associated not only with cell cycle and stemness signatures, but also with cell-type specific markers and different cellular states of GBM. We identified the transcription factor E2F1 as a key regulator of tumor cell proliferation and self-renewal in only the subset of proliferating gliomasphere cultures predicted to be E2F1-activated and validated its functional significance in tumor formation capacity. E2F1 inhibition also sensitized E2F1-activated gliomasphere cultures to radiation treatment. Our findings indicate that a pathway-based approach can be leveraged to deconstruct inter-tumoral heterogeneity and uncover key therapeutic vulnerabilities for targeting GBM.