Abstract The CRISPR/Cas9 system enables genome editing and somatic cell genetic screens in mammalian cells. We performed genome-scale loss-of-function screens in 33 cancer cell lines to identify genes essential for proliferation/survival and found a strong correlation between increased gene copy number and decreased cell viability after genome editing. Within regions of copy-number gain, CRISPR/Cas9 targeting of both expressed and unexpressed genes, as well as intergenic loci, led to significantly decreased cell proliferation through induction of a G2 cell-cycle arrest. By examining single-guide RNAs that map to multiple genomic sites, we found that this cell response to CRISPR/Cas9 editing correlated strongly with the number of target loci. These observations indicate that genome targeting by CRISPR/Cas9 elicits a gene-independent antiproliferative cell response. This effect has important practical implications for the interpretation of CRISPR/Cas9 screening data and confounds the use of this technology for the identification of essential genes in amplified regions. Significance: We found that the number of CRISPR/Cas9-induced DNA breaks dictates a gene-independent antiproliferative response in cells. These observations have practical implications for using CRISPR/Cas9 to interrogate cancer gene function and illustrate that cancer cells are highly sensitive to site-specific DNA damage, which may provide a path to novel therapeutic strategies. Cancer Discov; 6(8); 914–29. ©2016 AACR. See related commentary by Sheel and Xue, p. 824. See related article by Munoz et al., p. 900. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 803

Abstract Cancers that are deficient in BRCA1 or BRCA2 are hypersensitive to genotoxic agents, including platinums and other first-line chemotherapeutics. The established models propose that these cancers are hypersensitive because the chemotherapies block or degrade DNA replication forks and thereby create DNA double strand breaks, both of which require functional BRCA proteins to prevent or resolve by mechanisms termed fork protection (FP) or homologous recombination (HR). However, recent findings challenge this dogma because genotoxic agents do not initially cause DNA double strand breaks or stall replication forks. Here, we propose a new model for genotoxic chemotherapy in which ssDNA replication gaps underlie the hypersensitivity of BRCA deficient cancer, and we propose that defects in HR or FP do not. Specifically, we observed that ssDNA gaps develop in BRCA deficient cells because DNA replication is not effectively restrained in response to genotoxic stress. Moreover, we observe gap suppression (GS) by either restored fork restraint or by gap filling, both of which conferred resistance to therapy in tissue culture and BRCA patient tumors. In contrast, restored HR and FP were not sufficient to prevent hypersensitivity if ssDNA gaps were not eliminated. Together, these data suggest that ssDNA replication gaps underlie the BRCA cancer phenotype, “BRCAness,” and we propose are fundamental to the mechanism of action of genotoxic chemotherapies.

ABSTRACT Wilms tumor (WT) is the most common renal malignancy of childhood. Despite improvements in the overall survival, relapse occurs in ~15% of patients with favorable histology WT (FHWT). Half of these patients will succumb to their disease. Identifying novel targeted therapies in a systematic manner remains challenging in part due to the lack of faithful preclinical in vitro models. We established ten short-term patient-derived WT cell lines and characterized these models using low-coverage whole genome sequencing, whole exome sequencing and RNA-sequencing, which demonstrated that these ex-vivo models faithfully recapitulate WT biology. We then performed targeted RNAi and CRISPR-Cas9 loss-of-function screens and identified the nuclear export genes ( XPO1 and KPNB1 ) as strong vulnerabilities. We observed that these models are sensitive to nuclear export inhibition using the FDA approved therapeutic agent, selinexor (KPT-330). Selinexor treatment of FHWT suppressed TRIP1 3 expression, which was required for survival. We further identified in vitro and in vivo synergy between selinexor and doxorubicin, a chemotherapy used in high risk FHWT. Taken together, we identified XPO1 inhibition with selinexor as a potential therapeutic option to treat FHWTs and in combination with doxorubicin, leads to durable remissions in vivo .

Abstract The canonical biological function of selenium is in the production of selenocysteine residues of selenoproteins, and this forms the basis for its role as an essential antioxidant and cytoprotective micronutrient. Here, we demonstrate that selenium, via its metabolic intermediate hydrogen selenide, efficiently donates its electrons to ubiquinone to form ubiquinol in the mitochondria through catalysis by sulfide quinone oxidoreductase (SQOR). Hydrogen selenide is superior to hydrogen sulfide as an electron donor owing to its larger valence shell. We show that this mechanism, independently of selenoprotein production, protects against ferroptosis via ubiquinol production in a manner that depends on xCT mediated selenide formation and SQOR activity. Our findings identify a regulatory mechanism against ferroptosis that implicates SQOR and expands our understanding of selenium in biology.

Renal medullary carcinoma (RMC) is a rare and deadly kidney cancer in patients of African descent with sickle cell trait. Through direct-to-patient outreach, we developed genomically faithful patient-derived models of RMC. Using whole genome sequencing, we identified intronic fusion events in one SMARCB1 allele with concurrent loss of the other allele, confirming that SMARCB1 loss occurs in RMC. Biochemical and functional characterization of these RMC models revealed that RMC depends on the loss of SMARCB1 for survival and functionally resemble other cancers that harbor loss of SMARCB1, such as malignant rhabdoid tumors or atypical teratoid rhabdoid tumors. We performed RNAi and CRISPR-Cas9 loss of function genetic screens and a small-molecule screen and identified UBE2C as an essential gene in SMARCB1 deficient cancers. We found that the ubiquitin-proteasome pathway was essential for the survival of SMARCB1 deficient cancers in vitro and in vivo. Genetic or pharmacologic inhibition of this pathway leads to G2/M arrest due to constitutive accumulation of cyclin B1. These observations identify a synthetic lethal relationship that may serve as a therapeutic approach for patients with SMARCB1 deficient cancers.