Evidence for active DNA demethylation in vertebrates is accumulating, but the mechanisms and enzymes remain unclear. Using zebrafish embryos we provide evidence for 5-methylcytosine (5-meC) removal in vivo via the coupling of a 5-meC deaminase (AID, which converts 5-meC to thymine) and a G:T mismatch-specific thymine glycosylase (Mbd4). The injection of methylated DNA into embryos induced a potent DNA demethylation activity, which was attenuated by depletion of AID or the non enzymatic factor Gadd45. Remarkably, overexpression of the deaminase/glycosylase pair AID/Mbd4 in vivo caused demethylation of the bulk genome and injected methylated DNA fragments, likely involving a G:T intermediate. Furthermore, AID or Mbd4 knockdown caused the remethylation of a set of common genes. Finally, Gadd45 promoted demethylation and enhanced functional interactions between deaminase/glycosylase pairs. Our results provide evidence for a coupled mechanism of 5-meC demethylation, whereby AID deaminates 5-meC, followed by thymine base excision by Mbd4, promoted by Gadd45.

ABSTRACT Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is the sixth most common cancer worldwide, with 5-year survival of ∼50%. Genomic profiling studies have identified important somatic mutations in this disease which presents an opportunity for precision medicine. We demonstrate that KMT2D, a histone methyltransferase harbors somatic mutations in ∼17% of HNSCC and is associated with 2-year recurrence in TCGA data. Consistent with algorithmic prediction of bring a driver tumor-suppressor event, its loss results in larger oral tumors in immune-proficient orthotopic models. Mechanistically, we find that KMT2D knockdown or KMT2D mutation causes loss of H3K4me1-marked enhancers harboring IRF7/9 binding sites, which is known to regulate interferon signaling. Indeed, KMT2D loss in human and murine cell lines deregulated transcriptional levels of cytokine expression and impacted numerous immune signaling pathways, including interferon signaling. Consistently, Kmt2d knockdown in murine tumors exhibited decrease in IFN γ -producing effector T cells and an increase in T-cells with an exhausted phenotype. Epistasis experiments showed that exogenous treatment with IFN γ abrogated the increased tumor growth in Kmt2d-deficient oral tumors. Together, these results support the role of KMT2D as a tumor suppressor in HNSCC that regulates the tumor microenvironment by modulating H3K4me1-marked enhancers controlling interferon signaling.

Abstract Acute myeloid leukemia (AML) and effector cells of immune checkpoint blockade (ICB) therapy co-reside in a complex bone marrow (BM) milieu. The interplay of tumor intrinsic and microenvironment (TME) mechanisms that influences the response to ICB-based therapies in AML have not been elucidated. Here we report our analyses of single cell RNA profiling of more than 127,000 BM cells from healthy donors and relapsed/refractory (R/R) AML patients at pre/post treatment with azacitidine/nivolumab, paired with single cell T cell receptor (TCR) repertoire profiles, to uncover factors impacting response and resistance. Loss of chromosome 7/7q conferred an immunosuppressive TME and was associated with resistance to ICB-based therapy in R/R AML. Our trajectory analysis revealed a continuum of CD8+ T cell phenotypes, characterized by differential expression of granzyme B (GZMB) and GZMK. GZMK expression defined a BM residing memory CD8+ T cell subset with stem-like properties likely an intermediary between naïve and cytotoxic lymphocytes. Responses to ICB-based therapy were primarily driven by novel and expanded T cell clonotypes. Our findings support an adaptable T cell plasticity in response to PD-1 blockade in AML. Disentangling AML cells from their complex, immune-rich microenvironment revealed characteristics that shaped resistance to ICB-based therapy and could inform strategies to target AML vulnerabilities. Significance Determining the cellular and molecular underpinnings of response and resistance to PD-1 blockade based therapy in AML can guide immune-based therapeutic strategies. Our results reveal AML intrinsic characteristics (chromosome 7/7q status and oxidative stressors) and tumor microenvironment to modulate responses to checkpoint blockers. CD8 cells exist in the bone marrow in a continuum with GZMK expression defining a memory, stem-like T cell population that could play a role in response to therapy.

ABSTRACT Immune checkpoint blockade (ICB) therapy has improved long-term survival for patients with advanced melanoma. However, there is critical need to identify potential biomarkers of response and actionable strategies to improve response rates. Through generation and analysis of 148 chromatin modification maps for 36 melanoma samples from patients treated with anti-PD- 1, we identified significant enrichment of active enhancer states in non-responders at baseline. Analysis of an independent cohort of 20 samples identified a set of 437 enhancers that predicted response to anti-PD-1 therapy (Area Under the Curve of 0.8417). The activated non-responder enhancers marked a group of key regulators of several pathways in melanoma cells (including c- MET, TGFβ, EMT and AKT) that are known to mediate resistance to ICB therapy and several checkpoint receptors in T cells. Epigenetic editing experiments implicated involvement of c-MET enhancers in the modulation of immune response. Finally, inhibition of enhancers and repression of these pathways using bromodomain inhibitors along with anti-PD-1 therapy significantly decreased melanoma tumor burden and increased T-cell infiltration. Together, these findings identify a potential enhancer-based biomarker of resistance to anti-PD-1 and suggest enhancer blockade in combination with ICB as a potential strategy to improve responses.

ABSTRACT The extent and function of chromatin state aberrations during colorectal cancer (CRC) progression is not completely understood. Here, by comprehensive epigenomic characterization of 56 tumors, adenomas, and their matched normal tissues, we define the dynamics of chromatin states during the progression of colorectal cancer. H3K27ac-marked active enhancer state could distinguish between different stages of CRC progression. By epigenomic editing, we present evidence that gains of tumor-specific enhancers for crucial oncogenes, such as ASCL2 and FZD10 , was crucial for excessive proliferation. Consistently, combination of MEK plus bromodomain (BET) inhibition was found to have synergistic effects in CRC patient-derived xenograft (PDX) models. Probing inter-tumor heterogeneity, we identified four distinct enhancer subtypes (EpiC), three of which correlate well with previously defined transcriptomic subtypes (CMSs). Importantly, CMS2 can be divided into two EpiC subgroups with significant survival differences. Leveraging such correlation, we devised a combinatorial therapeutic strategy of enhancer-blocking bromodomain inhibitors with pathway-specific inhibitors (PARPi, EGFRi, and TGFβi) for three EPIC groups. Our data suggest that the dynamics of active enhancer underlies colorectal cancer progression and the patient-specific active enhancer patterns govern their unique gene expression patterns which can be leveraged for precision combination therapy.

Abstract Undifferentiated pleomorphic sarcoma (UPS) and malignant peripheral nerve sheath tumor (MPNST) are aggressive soft tissue sarcomas that do not respond well to current treatment modalities. The limited availability of UPS and MPNST cell lines makes it challenging to identify potential therapeutic targets in a laboratory setting. Understanding the urgent need for improved treatments for these tumors and the limited cellular models led us to generate additional cell lines to study these rare cancers further. Patient-derived tumors were used to establish 5 new UPS models, including one radiation-associated UPS—UPS060.1, UPS271.1, UPS511, UPS0103, and RIS620—and 3 new models of MPNST—MPNST007, MPNST3813E, and MPNST4970. This study examined the utility of the new cell lines as sarcoma models by assessing tumorigenic potential and mutation status for known sarcoma-related genes. All the cell lines formed colonies and migrated in vitro . The in vivo tumorigenic potential of each cell line was determined by either subcutaneous injection of cells or implantation of tumor tissue into immunocompromised mice. UPS060.1, UPS271.1, and UPS511 cells formed tumors in mice upon subcutaneous injection. UPS0103 and RIS620 tumor implants formed tumors in vivo , as did MPNST007 and MPNST3813E tumor implants. Mutation analysis of a panel of genes frequently mutated in sarcomas showed that two of the three MPNST cell lines had NF1 mutations. Two of the three MPNST cell lines had mutations in polycomb repressive complex 2 members. These new cellular models provide the scientific community with powerful tools for detailed studies of sarcomagenesis and investigate novel therapies for UPS and MPNST.

SUMMARY Background This study focuses on the evaluation of intratumoral immune infiltrates of the Qk/trp53/Pten (QPP) triple-knockout mouse model of glioblastoma with the purpose of establishing its relevance compared to the human disease. This included an analysis at the single cell level, of immune cells composition in both spontaneous and implanted mouse tumors and of samples obtained from human tumor resections. Methods We analyzed a cohort of fifteen spontaneous QPP mice, nine implanted QPP mice and 10 glioma patients by standard immune profiling methods such as IHC. Of those, we analyzed three spontaneous QPP mice, three implanted QPP mice, and 10 glioma patients by single cell RNA sequencing. Results In the QPP samples we identified a predominantly myeloid cell population of monocytes, macrophages, and microglia, with minor populations of T, B, and NK cells. When comparing spontaneous and implanted mouse samples, we found that there were more neutrophil, T and NKT cells in the implanted model. In human samples, most of the lymphoid and myeloid compartments were immunosuppressive. While the complexity of the myeloid cell populations is preserved between the QPP model and the human disease, we observed significantly more immune-stimulatory populations in the implanted mouse model. Conclusions We found that, despite differences at the subpopulation level, the immunosuppressive nature of the immune system in glioma, is recapitulated in our mouse model. Although we observed differences in the proportions of immune infiltrates derived from the spontaneous and implanted mouse models and in LGG compared to GBM, the major constituents are present in all cases and these differences may be caused by various etiological or pathogenic influences on tumor-immune interactions. Key Points New GBM mouse model for immunotherapy Single cell profiling of the immune systems in human and mouse GBM

ABSTRACT Desmoplastic small round cell tumor (DSRCT) is an aggressive, usually incurable sarcoma subtype that predominantly occurs in post-pubertal young males. Recent evidence suggests that the androgen receptor (AR) can promote tumor progression in DSRCTs. However, the mechanism of AR-induced oncogenic stimulation remains undetermined. Herein, we demonstrate that enzalutamide and AR-directed antisense oligonucleotides (AR-ASO) block 5α-dihydrotestosterone (DHT)-induced DSRCT cell proliferation and reduce xenograft tumor burden. Gene expression analysis and chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) were performed to elucidate how AR signaling regulates cellular epigenetic programs. Remarkably, ChIP-seq revealed novel DSRCT-specific AR DNA binding sites adjacent to key oncogenic regulators, including WT1 (the C-terminal partner of the pathognomonic fusion protein) and FOXF1. Additionally, AR occupied enhancer sites that regulate the Wnt pathway, neural differentiation, and embryonic organ development, implicating AR in dysfunctional cell lineage commitment. Our findings have immediate clinical implications given the widespread availability of FDA-approved androgen-targeted agents used for prostate cancer. ONE SENTENCE SUMMARY We demonstrate that DSRCT, an aggressive pediatric cancer, is an AR-driven malignancy capable of responding to androgen deprivation therapy.

Chromatin elements and regulators play important roles during progression of prostate cancer, however, their involvement in response to therapy is less well understood. Using comprehensive chromatin profiling of patient-derived tumors, we find that enhancer elements marked by H3K4me1 are highly enriched in aggressive therapy-resistant prostate cancers on important resistance-driving genes, such as those involved in FOXA1, NOTCH and TGF-{beta} signaling. Importantly, by targeting H3K4me1-elements through inhibition of the MLL complex, a H3K4 methyltransferase, we reduced the proliferative capacity and H3K4me1-associated loci in enzalutamide-resistant prostate cancer lines. We identify AR, FOXA1, HOXB13 and SOX4 as a subset of core TFs that are critical for establishing transcriptional networks via active enhancer reprogramming during acquisition of resistance to therapy. Knock-down of SOX4 reduced cell proliferation and disrupted the H3K4me1 enhancer landscape, further suggesting a role for this TF in therapy-resistance. Overall, our data implicate H3K4me1-marked enhancers as a key epigenetic feature of therapy-resistance, implicate SOX4 in enhancer reprogramming and suggest use of MLL/MENIN inhibitors as a potential therapeutic strategy in high-grade and locally advanced prostate cancers that do not respond to traditional therapies.

ABSTRACT Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is a heterogeneous disease with significant morbidity and mortality and frequent recurrence. Pre-NGS efforts to transcriptionally classify HNSCC into groups of varying prognosis have identified four accepted molecular subtypes of disease: Atypical (AT), Basal (BA), Classical (CL), and Mesenchymal (MS). Here, we investigated the active enhancer landscapes of these subtypes using representative HNSCC cell lines and identified samples belonging to the AT subtype as having increased enhancer activity compared to the other 3 HNSCC subtypes. Cell lines belonging to atypical subtype were more resistant to bromodomain inhibitors (BETi). PRO-Seq experiments that both TCGA tumors and AT cell lines showed higher eRNA transcripts for enhancers controlling BETi resistance pathways, such as lipid metabolism and MAPK signaling. Additionally, HiChIP experiments suggested higher enhancer-promoter (E-P) contacts in the AT subtype, including on genes identified in the eRNA analysis. Consistently, known BETi resistance pathways were upregulated upon exposure to these inhibitors. Together, our results identify that the AT subtype of HNSCC is associated with high enhancer activity, resistance to BET inhibition, and signaling pathways that could serve as future targets for sensitizing HNSCC to BET inhibition.