Abstract Recent advances in the genomics of glioblastoma (GBM) led to the introduction of molecular neuropathology but failed to translate into treatment improvement. This is largely attributed to the genetic and phenotypic heterogeneity of GBM, which are considered the major obstacle to GBM therapy. Here, we use advanced human GBM organoid (LEGO: L aboratory E ngineered G lioblastoma O rganoid) and provide an unprecedented comprehensive characterization of LEGO models using single-cell transcriptome, DNA methylome, metabolome, lipidome, proteome, and phospho-proteome analysis. We discovered that genetic heterogeneity dictates functional heterogeneity across molecular layers and demonstrates that NF1 mutation drives mesenchymal signature. Most importantly, we found that glycerol lipid reprogramming is a hallmark of GBM, and several targets and drugs were discovered along this line. We also provide a genotype-based drug reference map using LEGO-based drug screen. This study provides novel human GBM models and a research path toward effective GBM therapy.

Highlights•TKT attenuates the chemosensitivity in glioma independent of catalytic activity•Chemotherapeutic drugs promote TKT's nuclear translocation in glioma cells•TKT interacts with XRN2 to regulate the resolution and removal of R-loopsSummaryGlioblastoma (GBM) is a highly lethal malignant brain tumor with poor survival rates, and chemoresistance poses a significant challenge to the treatment of patients with GBM. Here, we show that transketolase (TKT), a metabolic enzyme in the pentose phosphate pathway (PPP), attenuates the chemotherapy sensitivity of glioma cells in a manner independent of catalytic activity. Mechanistically, chemotherapeutic drugs can facilitate the translocation of TKT protein from the cytosol into the nucleus, where TKT physically interacts with XRN2 to regulate the resolution and removal of R-loops. Depletion of TKT leads to increased R-loop accumulation and genome instability, increasing the susceptibility of glioma cells to chemotherapy. In conclusion, our study reveals a non-metabolic function of TKT in regulating R-loop dynamics, genome instability, and chemotherapy sensitivity in gliomas.Graphical abstract