Summary Human-mouse differences are a major barrier in translational research. Astrocytes play important roles in neurological disorders such as stroke, injury, and neurodegeneration. However, the similarities and differences between human and mouse astrocytes are largely unknown. Combining analyses of acutely purified astrocytes, experiments using serum-free cultures of primary astrocytes, and xenografted chimeric mice, we found extensive conservation in astrocytic gene expression between human and mouse. However, genes involved in defense response and metabolism showed species differences. Human astrocytes exhibited greater susceptibility to oxidative stress than mouse astrocytes, due to differences in mitochondria physiology and detoxification pathways. Mouse astrocytes, but not human astrocytes, activate a molecular program for neural repair under hypoxia. Human astrocytes, but not mouse astrocytes, activate the antigen presentation pathway under inflammatory conditions. These species-dependent properties of astrocytes may contribute to differences between mouse models and human neurological and psychiatric disorders.

Abstract Histone deacetylases (HDACs) have a wide range of targets and can rewire both the chromatin and lipidome of cancer cells. In this study, we show that valproic acid (VPA), a brain penetrant anti-epileptic and histone deacetylase inhibitor, inhibits the growth of IDH1 mutant tumors in vivo and in vitro, with at least some selectivity over IDH1 wild type tumors. Surprisingly, genes upregulated by VPA showed no change in chromatin accessibility at the promoter, but there was a correlation between VPA downregulated genes and diminished promoter chromatin accessibility. VPA inhibited the transcription of lipogenic genes and these lipogenic genes showed significant decrease in promoter chromatin accessibility only in the IDH1 MT glioma cell lines tested. VPA targeted a key lipogenic gene, fatty acid synthase (FASN), via inhibition of the mTOR pathway and both VPA and a selective FASN inhibitor TVB-2640 rewired the lipidome and promoted apoptosis in an IDH1 MT but not in an IDH1 WT glioma cell line. We further find HDACs are involved in the regulation of lipogenic genes and in particular HDAC6 is important for regulation of FASN in IDH1 MT glioma. Finally, we show that FASN knockdown alone and VPA in combination with FASN knockdown significantly improved the survival of mice in a IDH1 MT primary orthotopic xenograft model in vivo. We conclude that targeting fatty acid metabolism through HDAC inhibition and/or FASN inhibition may be a novel therapeutic option in IDH1 mutant gliomas.

Abstract Maternal inflammatory response (MIR) during early gestation in mice induces a cascade of physiological and behavioral changes that have been associated with autism spectrum disorder (ASD). In a prior study and the current one, we find that mild MIR results in chronic systemic and neuro-inflammation, mTOR pathway activation, mild brain overgrowth followed by regionally specific volumetric changes, sensory processing dysregulation, and social and repetitive behavior abnormalities. Prior studies of rapamycin treatment in autism models have focused on chronic treatments that might be expected to alter or prevent physical brain changes. Here, we have focused on the acute effects of rapamycin to uncover novel mechanisms of dysfunction and related to mTOR pathway signaling. We find that within 2 hours, rapamycin treatment could rapidly rescue neuronal hyper-excitability, seizure susceptibility, functional network connectivity and brain community structure, and repetitive behaviors and sensory over-responsivity in adult offspring with persistent brain overgrowth. These CNS-mediated effects are also associated with alteration of the expression of several ASD-,ion channel-, and epilepsy-associated genes, in the same time frame. Our findings suggest that mTOR dysregulation in MIR offspring is a key contributor to various levels of brain dysfunction, including neuronal excitability, altered gene expression in multiple cell types, sensory functional network connectivity, and modulation of information flow. However, we demonstrate that the adult MIR brain is also amenable to rapid normalization of these functional changes which results in the rescue of both core and comorbid ASD behaviors in adult animals without requiring long-term physical alterations to the brain. Thus, restoring excitatory/inhibitory imbalance and sensory functional network modularity may be important targets for therapeutically addressing both primary sensory and social behavior phenotypes, and compensatory repetitive behavior phenotypes.

Summary Glioblastoma (GBM) is characterized by extensive microvascular hyperproliferation. In addition to supplying blood to the tumor, GBM vessels also provide trophic support to glioma cells and serve as conduits for migration into the surrounding brain promoting recurrence. Here, we enriched CD31-expressing glioma vascular cells (GVC) and A2B5-expressing glioma tumor cells (GTC) from primary GBM and utilized RNA sequencing to create a comprehensive interaction map of the secreted and extracellular factors elaborated by GVC that can interact with receptors and membrane molecules on GTC. To validate our findings, we utilized functional assays, including a novel hydrogel-based migration assay and in vivo mouse models to demonstrate that one identified factor, the little-studied integrin binding sialoprotein (IBSP) enhances tumor growth and promotes the migration of GTC along the vasculature. This perivascular niche interactome will serve a resource to the research community in defining the potential functions of the GBM vasculature.

Abstract The mechanical properties of solid tumors influence tumor cell phenotype and ability to invade into surrounding tissues. Using bioengineered scaffolds to provide a matrix microenvironment for patient-derived glioblastoma (GBM) spheroids, this study demonstrates that a soft, brain-like matrix induces GBM cells to shift to a glycolysis-weighted metabolic state which supports invasive behavior. We first show that orthotopic murine GBM tumors are stiffer than peri-tumoral brain tissues, but tumor stiffness is heterogenous where tumor edges are softer than the tumor core. Then, we developed three-dimensional scaffolds with µ-compressive moduli resembling either stiffer, tumor core or softer, peri-tumoral brain tissue. We demonstrate that the softer matrix microenvironment induces a shift in GBM cell metabolism toward glycolysis which manifests in lower proliferation rate and increased migration activities. Finally, we show that these mechanical cues are transduced from the matrix via CD44 and integrin receptors to induce metabolic and phenotypic changes in cancer cells.

Abstract Treatment-refractory glioma stem and tumor cells exhibit phenotypic plasticity driving recurrence, but the underlying molecular mechanisms remain to be elucidated. Here, we employed single-cell and whole transcriptomic analyses to discover that radiation induces a dynamic shift in functional states of glioma cells allowing for acquisition of vascular endothelial-like and pericyte-like cell phenotypes. These vascular-like cells provide a trophic niche to promote proliferation of irradiated glioma cells, and their selective depletion results in reduced tumor growth post-treatment in vivo . Mechanistically, the acquisition of vascular-like phenotype is driven by increased chromatin accessibility and H3K27 acetylation in specific vascular gene regions post-treatment. Blocking P300 histone acetyltransferase activity reverses the epigenetic changes induced by radiation, and inhibits the phenotypic transition and tumor growth. Our findings highlight an important role for P300 histone acetyltransferase in treatment-induced plasticity and opens a new therapeutic avenue for preventing glioma recurrence. Significance Our study demonstrates that radiation therapy promotes glioma resistance by inducing vascular-like phenotypes in GSC that, in turn, aid in proliferation of the remaining tumor cells. This phenotype switch is mediated by P300 HAT, and inhibition of this enzyme is a potential therapeutic target for preventing glioma recurrence following radiation.

ABSTRACT Aims The goal of this study was to determine whether NADPH oxidase (NOX)-produced reactive oxygen species enhances brain tumor growth of glioblastoma (GBM) under hypoxic conditions and during radiation treatment. Results Exogenous ROS promoted brain tumor growth in gliomasphere cultures that expressed functional PTEN, but not in tumors that were PTEN deficient. Hypoxia induced the production of endogenous cytoplasmic ROS and tumor cell growth via activation of NOX. NOX activation resulted in oxidation of PTEN and downstream Akt activation. Radiation also promoted ROS production via NOX which, in turn, resulted in cellular protection that could be abrogated by knockdown of the key NOX component, p22. Knockdown of p22 also inhibited tumor growth and enhanced the efficacy of radiation in PTEN-expressing GBM cells. Innovation While other studies have implicated NOX function in GBM models, these studies demonstrate NOX activation and function under physiological hypoxia and following radiation in GBM, two conditions that are seen in patients. NOX plays an important role in a PTEN-expressing GBM model system, but not in PTEN-non-functional systems and provide a potential, patient-specific therapeutic opportunity. Conclusions This study provides a strong basis for pursuing NOX inhibition in PTEN-expressing GBM cells as a possible adjunct to radiation therapy.

Glioblastoma (GBM) metabolism has traditionally been characterized by a dependence on aerobic glycolysis, prompting use of the ketogenic diet as a potential therapy. We observed growth-promoting effects on U87 GBM of both ketone body and fatty acid (FA) supplementation under physiological glucose conditions. An in vivo assessment of the unrestricted ketogenic diet surprisingly resulted in increased tumor growth and decreased animal survival. These effects are abrogated by FAO inhibition using knockdown of carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1). Primary patient GBM cultures revealed significant utilization of FAO regardless of tumorigenic mutational status and decreased proliferation, increased apoptosis, and elevated mitochondrial ROS production with CPT1 inhibition. Metabolomic tracing with 13C-labeled fatty acids showed significant FA utilization within the TCA cycle, indicating that FAO is used for both bioenergetics and production of key intermediates. These data demonstrate important roles for FA and ketone body metabolism that could serve to improve targeted therapies in GBM.