ABSTRACT The pediatric extra-cranial tumor neuroblastoma (NB) is characterised by a low mutation burden while copy number alterations are present in most high-risk cases. We identified SOX11 as a strong lineage dependency transcription factor in adrenergic NB based on recurrent chromosome 2p focal gains and amplifications, its specific expression in the normal sympatho-adrenal lineage and adrenergic NBs and its regulation by multiple adrenergic specific cis-interacting (super-)enhancers. Adrenergic NBs are strongly dependent on high SOX11 expression levels for growth and proliferation. Through genome-wide DNA-binding and transcriptome analysis, we identified and validated functional SOX11 target genes, several of which implicated in chromatin remodeling and epigenetic modification. SOX11 controls chromatin accessibility predominantly affecting distal adrenergic lineage-specific enhancers marked by binding sites of the adrenergic core regulatory circuitry. During normal sympathoblast differentiation we find expression of SOX11 prior to members of the adrenergic core regulatory circuitry. Given the broad control of SOX11 of multiple epigenetic regulatory complexes and its presumed pioneer factor function, we propose that adrenergic NB cells have co-opted the normal role of SOX11 as a crucial regulator of chromatin accessibility and cell identity.

Summary Neuroblastoma is a pediatric tumor originating from the sympathetic nervous system responsible for 10-15 percent of all childhood cancer deaths. Half of all neuroblastoma patients present with high-risk disease at diagnosis. Despite intensive multi-modal therapies nearly 50 percent of high-risk cases relapse and die of their disease. In contrast to the overall paucity of mutations, high-risk neuroblastoma nearly invariably present with recurrent somatic segmental chromosome copy number variants. For several focal aberrations ( e.g. MYCN and LIN28B amplification), the direct role in tumor formation has been established. However, for recurrent aberrations, such as chromosome 2p and 17q gains, the identification of genes contributing to tumor initiation or progression has been challenging due to the scarcity of small segmental gains or amplifications. In this study, we identified and functionally evaluated the ribonucleotide reductase regulatory subunit 2 (RRM2) as a top-ranked 2p putative co-driver and therapeutic target in high-risk neuroblastoma enforcing replicative stress resistance. In vitro knock down and pharmacological RRM2 inhibition highlight RRM2 dependency in neuroblastoma cells, further supported by the finding that co-overexpression of RRM2 in a dβh-MYCN transgenic zebrafish line increased tumor penetrance with 80% and accelerated tumor formation. Given the critical role of RRM2 in replication fork progression and regulation of RRM2 through ATR/CHK1 signaling, we tested combined RRM2 and ATR/CHK1 small molecule inhibition with triapine and BAY1895344/prexasertib respectively, and observed strong synergism, in particular for combined RRM2 and CHK1 inhibition. Transcriptome analysis following combinatorial drugging revealed HEXIM1 as one of the strongest upregulated genes. Using programmable DNA binding of dCas9 with a promiscuous biotin ligase, RRM2 promotor bound proteins were identified including HEXIM1 and NurRD complex members, supporting a cooperative role for HEXIM1 upregulation together with CHK1 inhibition in further attenuating RRM2 expression levels. We evaluated the impact of combined RRM2/CHK1 inhibition in vivo , with treatment of a murine xenograft model showing rapid and complete tumor regression, without tumor regrowth upon treatment arrest. In conclusion, we identified RRM2 as a novel dependency gene in neuroblastoma and promising target for synergistic drug combinations with small compounds targeting DNA checkpoint regulators.

Current therapies for neuroblastoma are often ineffective and survivors suffer from severe long-term therapy related side-effects, underscoring the need for identification of novel drugging strategies. We performed an in-depth evaluation of phenotypic and molecular responses following exposure of neuroblastoma cells to the rocaglate CR-1-31-B, scrutinizing its mode-of-action through integrative ribosome footprinting and shotgun proteome profiling. We could show that CR-1-31-B significantly reduces tumor growth in vivo without apparent toxicity. By means of combined ribosome footprinting and transcriptome analysis we uncovered that CR-1-31-B treatment downregulates translation efficiencies of several major neuroblastoma dependencies including MYCN, CCND1 and ALK as well as factors involved in the G2/M checkpoint. Upregulated targets are enriched for oxidative phosphorylation pathway components and DNA repair. At the proteome level, CR-1-31-B imposed downregulation of a FOXM1 driven signature, including the FOXM1 target gene TPX2. We show that neuroblastoma cells are dependent on TPX2 for growth and DNA repair and further demonstrate enhanced CHK1 sensitivity upon TPX2 knockdown. Next, we also observed synergistic effects of CHK1 inhibition with CR-1-31-B. In conclusion, our data support CR-1-31-B as a potent novel therapeutic agent in neuroblastoma, in particular in combination with DNA damage or replication stress inducing agents.

Abstract The PHF6 protein is a presumed chromatin reader implicated in disease through germline loss-of-function mutations causing cognitive disability syndromes and somatic mutations are predominantly observed in acute T-cell leukemia. Previous reports support a role for PHF6 in DNA damage repair, replication fork restart as well as hematopoietic precursor cell self-renewal capacity and lineage commitment. To explore better how PHF6 mediates these functions, we mapped the PHF6 interactome and identified RRM2 as a consistent binding partner across different normal and malignant cell types. Next, PHF6 knockdown imposed increased replicative stress/DNA damage and suggested possible binding of PHF6 to H3K56ac, a marker for nascent DNA at sites of DNA damage repair. Genome-wide mapping of PHF6 chromatin binding indeed revealed overlap with sites of active DNA damage, binding sites of replication fork proteins and functional crosstalk with the neuroblastoma transcription core regulatory circuitry. Altogether, we show a canonical PHF6-RRM2 interaction enabling active transport of RRM2 to genomic sites of PHF6 mediated fork restart and PHF6 localization to H3K56ac at highly transcribed genes facilitating fork restart following replication-transcription conflicts.