Abstract Peripheral neuroblastic tumors (PNTs) are the most common extracranial solid tumors in early childhood. They represent a spectrum of neural crest derived tumors including neuroblastoma, ganglioneuroblastoma and ganglioneuroma. PNTs exhibit heterogeneity due to interconverting malignant cell states described as adrenergic/nor-adrenergic or mesenchymal/neural crest cell in origin. The factors determining individual patient levels of tumor heterogeneity, their impact on the malignant phenotype, and the presence of other cell states are unknown. Here, single-cell RNA-sequencing analysis of 4267 cells from 7 PNTs demonstrated extensive transcriptomic heterogeneity. Trajectory modelling showed that malignant neuroblasts move between adrenergic and mesenchymal cell states via a novel state that we termed a “transitional” phenotype. Transitional cells are characterized by gene expression programs linked to a sympathoadrenal development, and aggressive tumor phenotypes such as rapid proliferation and tumor dissemination. Among primary bulk tumor patient cohorts, high expression of the transitional gene signature was highly predictive of poor prognosis when compared to adrenergic and mesenchymal expression patterns. High transitional gene expression in neuroblastoma cell lines identified a similar transitional H3K27-acetylation super-enhancer landscape, supporting the concept that PNTs have phenotypic plasticity and transdifferentiation capacity. Additionally, examination of PNT microenvironments, found that neuroblastomas contained low immune cell infiltration, high levels of non-inflammatory macrophages, and low cytotoxic T lymphocyte levels compared with more benign PNT subtypes. Modeling of cell-cell signaling in the tumor microenvironment predicted specific paracrine effects toward the various subtypes of malignant cells, suggesting further cell-extrinsic influences on malignant cell phenotype. Collectively, our study reveals the presence of a previously unrecognized transitional cell state with high malignant potential and an immune cell architecture which serve both as potential biomarkers and therapeutic targets.

ABSTRACT Changes in gene regulation and expression govern orderly transitions from hematopoietic stem cells to terminally differentiated blood cell types. These transitions are disrupted during leukemic transformation but knowledge of the gene regulatory changes underpinning this process is elusive. We hypothesised that identifying core gene regulatory networks in healthy hematopoietic and leukemic cells could provide insights into network alterations that perturb cell state transitions. A heptad of transcription factors (LYL1, TAL1, LMO2, FLI1, ERG, GATA2, RUNX1) bind key hematopoietic genes in human CD34+ haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) and have prognostic significance in acute myeloid leukemia (AML). These factors also form a densely interconnected circuit by binding combinatorially at their own, and each other’s, regulatory elements. However, their mutual regulation during normal haematopoiesis and in AML cells, and how perturbation of their expression levels influences cell fate decisions remains unclear. Here, we integrated bulk and single cell data and found that the fully connected heptad circuit identified in healthy HSPCs persists with only minor alterations in AML, and that chromatin accessibility at key heptad regulatory elements was predictive of cell identity in both healthy progenitors and in leukemic cells. The heptad factors GATA2, TAL1 and ERG formed an integrated sub-circuit that regulates stem cell to erythroid transition in both healthy and leukemic cells. Components of this triad could be manipulated to facilitate erythroid transition providing a proof of concept that such regulatory circuits could be harnessed to promote specific cell type transitions and overcome dysregulated haematopoiesis.

Background: Bivalent chromatin is an exemplar of epigenetic plasticity. This co-occurrence of active-associated H3K4me3 and inactive-associated H3K27me3 histone modifications on opposite tails of the same nucleosome occurs predominantly at promoters where it poises them for future transcriptional upregulation or terminal silencing. We know little of the dynamics, resolution, and regulation of this chromatin state outside of embryonic stem cells where it was first described. This is partly due to the technical challenges distinguishing bone-fide bivalent chromatin, where both marks are on the same nucleosome, from allelic or sample heterogeneity where there is a mix of H3K4me3-only and H3K27me3-only mononucleosomes. Results: Here, we present a robust and sensitive method to accurately map genome-wide bivalent chromatin along with all necessary controls from as little as 2 million cells. We optimised and refined the sequential ChIP protocol which uses two sequential overnight immunoprecipitation reactions to robustly purify nucleosomes that are truly bivalent and contain both H3K4me3 and H3K27me3 modifications. Our method generates high quality genome-wide maps with strong peak enrichment and low background which can be analysed using standard bioinformatic packages. Using this method, we detect twice as many bivalent regions in mouse embryonic stem cells as previously identified, bringing the total number of bivalently marked gene promoters to 8,373. Furthermore, profiling Dppa2/4 knockout mouse embryonic stem cells which lose both H3K4me3 and H3K27me3 at approximately 10% of bivalent promoters, demonstrated the ability of our method to capture bivalent chromatin dynamics. Conclusions: Our optimised sequential reChIP method enables high-resolution genome-wide assessment of bivalent chromatin together with all required controls in as little as 2 million cells. We share a detailed protocol and guidelines that will enable bivalent chromatin landscapes to be generated in a range of cellular contexts, greatly enhancing our understanding of bivalent chromatin and epigenetic plasticity beyond embryonic stem cells.

Epigenetic drift is a hallmark of aging that contributes to the irreversible decline in organismal fitness ultimately leading to aging-related diseases. Epigenetic modifications regulate the cellular memory of the epigenetic processes of genomic imprinting and X-chromosome inactivation to ensure monoallelic expression of imprinted and X-linked genes. Whether epigenetic drift affects maintenance of genomic imprinting and X-chromosome inactivation has not been comprehensively studied. Here, we investigate the allele-specific transcriptional and epigenetic signatures of the aging brain, by comparing juvenile and old hybrid mice obtained from C57BL/6J (BL6) & CAST/EiJ (CAST) reciprocal crosses, with an emphasis on the hippocampus (HCP). We confirm that the aged HCP shows an increase of DNA hydroxymethylation, a sign of epigenetic drift, and a typical aging transcriptional signature. Genomic imprinting was found to be largely unaffected with stable parent-of-origin-specific DNA methylation in HCP, but also other brain regions such as the cerebellum (CB), nucleus accumbens, hypothalamus and prefrontal cortex. Consistently, transcriptomics analysis confirmed unaltered imprinting expression in the aged HCP. An exception are three novel non-coding transcripts (B230209E15Rik, Ube2nl and A330076H08Rik) at the Prader-Willi syndrome/Angelman syndrome (PWS/AS) imprinted locus which lose strict monoallelic expression during aging. Like imprinting, X-chromosome inactivation was remarkably stable with no signs of aging-driven skewing or relaxation of monoallelic expression of X-linked genes. Our study provides a valuable resource for evaluating monoallelic expression in the aging brain and reveals that, despite epigenetic drift during aging, genomic imprinting and X-chromosome inactivation remain predominantly stable throughout the process of physiological aging in the mouse brain.

Abstract Background The child cancer, neuroblastoma (NB), is characterised by a low incidence of mutations and strong oncogenic embryonal driver signals. Many new targeted epigenetic modifier drugs have failed in human trials as monotherapy. Methods We performed a high‐throughput, combination chromatin‐modifier drug screen against NB cells. We screened 13 drug candidates in 78 unique combinations. Results We found that the combination of two histone methyltransferase (HMT) inhibitors: GSK343, targeting EZH2, and SGC0946, targeting DOT1L, demonstrated the strongest synergy across 8 NB cell lines, with low normal fibroblast toxicity. High mRNA expression of both EZH2 and DOT1L in NB tumour samples correlated with the poorest patient survival. Combination HMT inhibitor treatment caused activation of ATF4‐mediated endoplasmic reticulum (ER) stress responses. In addition, glutathione and several amino acids were depleted by HMT inhibitor combination on mass spectrometry analysis. The combination of SGC0946 and GSK343 reduced tumour growth in comparison to single agents. Conclusion Our results support further investigation of HMT inhibitor combinations as a therapeutic approach in NB.