Abstract The mammalian genome is spatially organized in the nucleus to enable cell type-specific gene expression. Investigating how chromatin organization determines this specificity remains a challenge. Methods for measuring the 3D chromatin organization, such as Hi-C, are costly and bear strong technical limitations, restricting their broad application particularly in high-throughput genetic perturbations. In this study, we present C.Origami, a deep neural network model that performs de novo prediction of cell type-specific chromatin organization. The C.Origami model enables in silico experiments to examine the impact of genetic perturbations on chromatin interactions in cancer genomes and beyond. In addition, we propose an in silico genetic screening framework that enables high-throughput identification of impactful genomic regions on 3D chromatin organization. We demonstrate that cell type-specific in silico genetic perturbation and screening, enabled by C.Origami, can be used to systematically discover novel chromatin regulatory mechanisms in both normal and disease-related biological systems.

Transfer RNA dynamics contribute to cancer development through regulation of codon-specific messenger RNA translation. Specific aminoacyl-tRNA synthetases can either promote or suppress tumourigenesis. Here we show that valine aminoacyl-tRNA synthetase (VARS) is a key player in the codon-biased translation reprogramming induced by resistance to targeted (MAPK) therapy in melanoma. The proteome rewiring in patient-derived MAPK therapy-resistant melanoma is biased towards the usage of valine and coincides with the upregulation of valine cognate tRNAs and of VARS expression and activity. Strikingly, VARS knockdown re-sensitizes MAPK-therapy-resistant patient-derived melanoma in vitro and in vivo. Mechanistically, VARS regulates the messenger RNA translation of valine-enriched transcripts, among which hydroxyacyl-CoA dehydrogenase mRNA encodes for a key enzyme in fatty acid oxidation. Resistant melanoma cultures rely on fatty acid oxidation and hydroxyacyl-CoA dehydrogenase for their survival upon MAPK treatment. Together, our data demonstrate that VARS may represent an attractive therapeutic target for the treatment of therapy-resistant melanoma.

Three-dimensional (3D) chromatin architectural changes can alter the integrity of topologically associated domains (TADs) and rewire specific enhancer-promoter interactions impacting gene expression. Recently, such alterations have been implicated in human disease, highlighting the need for a deeper understanding of their role. Here, we investigate the reorganization of chromatin architecture in T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) using primary human leukemia specimens and its dynamic responses to pharmacological agents. Systematic integration of matched in situ Hi-C, RNA-Seq and CTCF ChIP-Seq datasets revealed widespread changes in intra-TAD chromatin interactions and TAD boundary insulation in T-ALL. Our studies identify and focus on a TAD "fusion" event being associated with loss of CTCF-mediated insulation, enabling direct interactions between the MYC promoter and a distal super-enhancer. Moreover, our data show that small molecule inhibitors targeting either oncogenic signal transduction or epigenetic regulation reduce specific 3D interactions associated with transformation. Overall, our study highlights the impact, complexity and dynamic nature of 3D chromatin architecture in human acute leukemia.

Melanoma being one of the most common and deadliest skin cancers, has been rising since the past decade. Patients at advanced stages of the disease have very poor prognoses, as opposed to at the earlier stages. Nowadays the standard-of-care of advanced melanoma is resection followed by immune checkpoint inhibition based immunotherapy. However, a substantial proportion of patients either do not respond or develop resistances. This underscores a need for novel approaches and therapeutic targets as well as a better understanding of the mechanisms of melanoma pathogenesis. Long non-coding RNAs (lncRNAs) comprise a poorly characterized class of functional players and promising targets in promoting malignancy. Certain lncRNAs have been identified to play integral roles in melanoma progression and drug resistances, however systematic screens to uncover novel functional lncRNAs are scarce. Here, we profile differentially expressed lncRNAs in patient derived short-term metastatic cultures and BRAF-MEK-inhibition resistant cells. We conduct a focused growth-related CRISPR-inhibition screen of overexpressed lncRNAs, validate and functionally characterize lncRNA hits with respect to cellular growth, invasive capacities and apoptosis in vitro as well as the transcriptomic impact of our lead candidate the novel lncRNA XLOC_030781. In sum, we extend the current knowledge of ncRNAs and their potential relevance on melanoma.