ABSTRACT Glioblastoma (GBM) is the most common primary brain malignancy in adults, with a 100% recurrence rate and a 21-month median survival. Our lab and others have shown that GBM contains a subpopulation of glioma stem cells (GSCs) that expand with chemotherapy, and that may contribute to therapeutic resistance and recurrence in GBM. To investigate the mechanism behind this expansion, we applied gene set expression analysis (GSEA) to patient-derived xenograft (PDX) cells in response to temozolomide (TMZ), the most commonly used chemotherapy against GBM. Results showed significant enrichment of cancer stem cell and cell cycle pathways (FDR<0.25). The ligand of numb protein 1 (LNX1), a known regulator of Notch signaling by targeting negative regulator Numb, is strongly upregulated after TMZ therapy (p<0.0001) and is negatively correlated with survival of GBM patients. LNX1 is also upregulated after TMZ therapy in multiple PDX lines with concomitant downregulations in Numb and upregulations in intracellular Notch1 (NICD). Overexpression of LNX1 results in Notch1 signaling activation and increased CSC populations. In contrast, knocking down LNX1 reverses these changes, causing a significant downregulation of NICD, eliminating induction of functional stemness after TMZ therapy, and resulting in more prolonged median survival in a mouse model. Our data indicate that removing LNX1 activity results in a less aggressive and more chemo-sensitive tumor. Based on this, we propose that during anti-GBM chemotherapy, LNX1-regulated Notch1 signaling promotes stemness and contributes to therapeutic resistance.

Abstract Glioblastoma (GBM) is the most common adult malignant brain tumor, with a median survival of 21 months and a 100% recurrence rate. Even though many of the critical oncogenic drivers for GBM have been identified, the basis of gliomagenesis is still under investigation. To identify novel genes that contribute to GBM progression, we performed a genome-wide CRISPR-Cas9 knockout screen. We identified four previously unstudied genes – PSMB3, CHCHD4, SPDYE5, HSPA1 – which had elevated expression in cancer and demonstrated a significant positive correlation with respect to GBM growth and patient survival in vivo and patient datasets. Furthermore, overexpression of PSMB3 and HSPA5 in neural stem cells resulted in transformation to a cancer phenotype. Further investigation of PSMB3, a subunit of the proteasome, allowed us to identify both ubiquitin-mediated and non-ubiquitin-mediated mechanisms of oncogenesis. Ultimately, the data from our CRISPR screens suggests that these genes drive tumor progression, making them promising therapeutic targets for GBM.

ABSTRACT Glioblastoma (GBM) remains one of the most resistant and fatal forms of cancer. Previous studies have examined primary and recurrent GBM tumors, but it is difficult to study tumor evolution during therapy where resistance develops. To investigate this, we performed an in vivo single-cell RNA sequencing screen in a patient-derived xenograft (PDX) model. Primary GBM was modeled by mice treated with DMSO control, recurrent GBM was modeled by mice treated with temozolomide (TMZ), and during therapy GBM was modeled by mice euthanized after two of five TMZ treatments. Our analysis revealed the cellular population present during therapy to be distinct from primary and recurrent GBM. We found the Ribonucleotide Reductase gene family to exhibit a unique signature in our data due to an observed subunit switch to favor RRM2 during therapy. GBM cells were shown to rely on RRM2 during therapy causing RRM2-knockdown (KD) cells to be TMZ-sensitive. Using targeted metabolomics, we found RRM2-KDs to produce less dGTP and dCTP than control cells in response to TMZ ( p<0.0001 ). Supplementing RRM2-KDs with deoxycytidine and deoxyguanosine rescued TMZ-sensitivity, suggesting an RRM2-driven mechanism of chemoresistance, established by regulating the production of these nucleotides. In vivo , tumor-bearing mice treated with the RRM2-inhibitor, Triapine, in combination with TMZ, survived longer than mice treated with TMZ alone ( p<0.01 ), indicating promising clinical opportunities in targeting RRM2. Our data present a novel understanding of RRM2 activity, and its alteration during therapeutic stress as response to TMZ-induced DNA damage.

Glioblastoma (GBM) remains one of the least treatable types of cancer. Recent work highlights two key factors contributing to this resistant phenotype cellular plasticity, the ability of GBM cells to adopt many phenotypes, and the microenvironment. Here, we provide evidence that Interleukin-8 (IL-8) plays a vital role in promoting cellular plasticity and cancer initiating cells (CICs) niche during anti-glioma chemotherapy. IL-8 expression is significantly elevated during chemotherapy, and immunohistochemical analysis of matched primary and recurrent patient GBM tissues revealed about 60% of recurrent tissues IL-8 expression is upregulated. In silico analysis of the TCGA data indicated that IL-8 signaling could promote epigenetic plasticity by altering the polycomb repressor complex activity. We are proposing that such regulation my promote epigenetic plasticity, which allows the GBM cells to adapt therapy and may promote therapeutic resistance. Our data show that IL-8 is a crucial microenvironmental factor involved in developing therapeutic adaptation and can be targeted in combination with conventional chemo- and radiotherapy to prevent disease recurrence.

Topoisomerase II poisons are one of the most common class of chemotherapeutics used in cancer. We show that glioblastoma (GBM), the most malignant of all primary brain tumors in adults is responsive to TOP2 poisons. To identify genes that confer susceptibility to this drug in gliomas, we performed a genome-scale CRISPR knockout screen with etoposide. Genes involved in protein synthesis and DNA damage were implicated in etoposide susceptibility. To define potential biomarkers for TOP2 poisons, CRISPR hits were overlapped with genes whose expression correlates with susceptibility to this drug across glioma cell lines, revealing ribosomal protein subunit RPS11, 16, 18 as putative biomarkers for response to TOP2 poisons. Loss of RPS11 impaired the induction of pro-apoptotic gene APAF1 following etoposide treatment, and led to resistance to this drug and doxorubicin. The expression of these ribosomal subunits was also associated with susceptibility to TOP2 poisons across cell lines from multiple cancers.

Glioblastoma (GBM) is one of the most aggressive and lethal tumor types. Evidence continues to accrue indicating that the complex relationship between GBM and the brain microenvironment contributes to this malignant phenotype. However, the interaction between GBM and neurotransmitters, signaling molecules involved in neuronal communication, remains incompletely understood. Here we examined, in both sexes of humans and mice, how the monoamine dopamine influences GBM cells. We demonstrate that GBM cells express DRD2, with elevated expression in the glioma-initiating cell (GIC) population. Stimulation of DRD2 caused neuron-like depolarization exclusively in GICs. In addition, long-term activation of DRD2 heightened the sphere-forming capacity of GBM cells as well as tumor engraftment efficiency. Mechanistic investigation revealed that DRD2 signaling activates the hypoxia response and functionally alters metabolism. Finally, we found that GBM cells synthesize and secrete dopamine themselves, suggesting a potential autocrine mechanism. These results identify dopamine signaling as a potential therapeutic target in GBM and further highlight neurotransmitters as a key feature of the pro-tumor microenvironment.

This year nearly 20,000 lives will be lost to Glioblastoma (GBM), a treatment-resistant primary brain cancer. In this study, we identified a molecular circuit driven by epigenetic regulation that regulates the expression of ciliary protein ALR13B. We also demonstrated that ARL13B subsequently interacts with purine biosynthetic enzyme IMPDH2. Removal of ARL13B enhanced TMZ-induced DNA damage by reducing de-novo purine biosynthesis and forcing GBM cells to rely on the purine salvage pathway. Furthermore, targeting can be achieved by using an FDA-approved drug, Mycophenolate Moefitil. Our results suggest a clinical evaluation of MMF in combination with TMZ treatment in glioma patients.

ABSTRACT Glioblastoma (GBM) is the most common type of adult malignant brain tumor, with a median survival of only 21 months. This is partly due to the high rate of resistance to conventional therapy, including temozolomide (TMZ), leading to recurrence rates close to 100%. It still remains unknown what drives the development of this resistance. To identify the unknown genes driving the development of this resistance, we performed a genome-wide CRISPR knockout screen comparing a DMSO-treated population with a TMZ-treated population over 14 days. We identified 4 previously unstudied genes – ARF4 , PLAA, SPTLC1 , and PIGK – that showed significant elevations in expression in recurrent tumors in patient datasets, along with significant survival benefits corresponding to low gene expression. Further investigation of ARF4 , known to be involved in retrograde trafficking, allowed us to identify a mechanism of resistance that is mediated by increased retrograde transport of EGFR into the nucleus. Ultimately, our CRISPR-Cas9 screen has identified a promising therapeutic target, ARF4 , which may drive GBM’s high resistance to chemotherapy.

Tumor recurrence in glioblastoma multiforme (GBM) is often attributed to acquired resistance to the standard chemotherapeutic agent temozolomide (TMZ). Promoter methylation of the DNA repair gene MGMT has been associated with sensitivity to TMZ, while increased expression of MGMT has been associated with TMZ resistance. Clinical studies have observed a downward shift in MGMT methylation percentage from primary to recurrent stage tumors. However, the evolutionary processes driving this shift, and more generally the emergence and growth of TMZ-resistant tumor subpopulations, are still poorly understood. Here we develop a mathematical model, parameterized using clinical and experimental data, to investigate the role of MGMT methylation in TMZ resistance during the standard treatment regimen for GBM (surgery, chemotherapy and radiation). We first find that the observed downward shift in MGMT promoter methylation status between detection and recurrence cannot be explained solely by evolutionary selection. Next, our model suggests that TMZ has an inhibitory effect on maintenance methylation of MGMT after cell division. Finally, incorporating this inhibitory effect, we study the optimal number of TMZ doses per adjuvant cycle for GBM patients with high and low levels of MGMT methylation at diagnosis.