RNA splicing, the enzymatic process of removing segments of premature RNA to produce mature RNA, is a key mediator of proteome diversity and regulator of gene expression. Increased systematic sequencing of the genome and transcriptome of cancers has identified a variety of means by which RNA splicing is altered in cancer relative to normal cells. These findings, in combination with the discovery of recurrent change-of-function mutations in splicing factors in a variety of cancers, suggest that alterations in splicing are drivers of tumorigenesis. Greater characterization of altered splicing in cancer parallels increasing efforts to pharmacologically perturb splicing and early-phase clinical development of small molecules that disrupt splicing in patients with cancer. Here we review recent studies of global changes in splicing in cancer, splicing regulation of mitogenic pathways critical in cancer transformation, and efforts to therapeutically target splicing in cancer.

Abstract Keratin 17 (K17), an oncofetal intermediate filament protein, is one of the most abundantly expressed proteins in pancreatic ductal adenocarcinomas (PDACs) of the most aggressive molecular subtype. The mechanistic roles of this protein in malignancy, however, are largely unexplored. Here we show that K17 expression and disassembly enhances tumor growth and metastatic potential and shortens survival. Using mass spectrometry in K17 isolated from patient’s tumors, we identified a hotspot phosphorylation site in serines 10-13. Site-mutagenesis revealed that phosphorylation of this hotspot is sufficient to disassemble K17 and promote its nuclear translocation. In silico and pharmacologic inhibition studies uncovered the role of the PKC/MEK/RSK pathway in the phosphorylation and disassembly of K17. Murine models bearing tumors expressing phosphomimetic mutations at the serine hotspot displayed enhanced metastases, compared to mice bearing tumors expressing wild-type K17 or phosphorylation-resistant K17. Lastly, we found that detergent-soluble nuclear K17 promotes the expression of metastasis promoting genes in both patient and murine tumors. These results suggest that phosphorylation at specific serines is sufficient to promote pancreatic cancer metastasis and shorter survival, and that these sites could provide novel, druggable therapeutic domains to enhance PDAC patient survival.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a leading cause of cancer death. We previously reported keratin 17 (K17) as a novel negative prognostic and predictive biomarker, whose overexpression confers the resistance to chemotherapies. Here, we investigated the mechanisms of chemoresistance and tumor-specific vulnerabilities that can be exploited for targeted therapies for K17-expressing PDAC. Unbiased metabolomic studies in isogenic PDAC models identified several key metabolic pathways that are upregulated in the presence of K17. We demonstrate that K17 increases pyrimidine biosynthesis, a pathway that has been linked to chemoresistance. Patient dataset analysis revealed that K17 expression and enzymes involved in pyrimidine, but not purine, de novo biosynthesis is associated with shorter patient survival. Rescue experiments showed that deoxycytidine (dC) and deoxythymidine (dT) were sufficient to promote resistance to Gemcitabine (a dC analog) and 5-fluorouracil (a dT analog), respectively. Furthermore, K17-expressing cells were more sensitive to Brequinar, a specific inhibitor of dihydroorotate dehydrogenase (DHODH), the rate-limiting enzyme in de novo pyrimidine biosynthetic pathway. Targeting DHODH by small interfering RNA or by Brequinar with Gemcitabine synergistically inhibited the viability of K17-positive PDAC cells. Importantly, the combination of Gemcitabine and Brequinar significantly inhibited the growth of K17-expressing tumors and extended survival of mice bearing K17-expressing PDACs. Overall, we identified a novel pathway of chemoresistance and a metabolic target of which could lead to the development of a biomarker-based therapy for K17-expressing PDAC.

ABSTRACT Many cancers carry change-of-function mutations affecting RNA splicing factors, however, less is known about the functional consequences of upregulated RNA splicing factors in cancer. Here, we demonstrate that SMNDC1, a poorly studied splicing factor, which we found to be upregulated in multiple carcinomas and associated with poor patient prognosis, promotes cell proliferation, clonal expansion, and tumor growth by promoting the retention of G-rich exons, which otherwise would be excluded or retained at a lower rate after RNA splicing in normal cells. Inclusion of exon 4 (E4) of MAPK3 (ERK1), which encodes both kinase phosphorylation sites (Thr202/Tyr204), was among the promoted exons by SMNDC1. Forced exclusion of MAPK3- E4 using anti-sense oligos inhibited the ERK1 phosphorylation, expression of target genes and decreased tumor cell growth. These data support that cancer cells exploit a “splicing switch” to promote ERK kinase activity and offer a druggable alternative to block oncogenic signaling and altered RNA splicing in cancer cells SIGNIFICANCE ERK signaling promotes tumor growth and survival. Exon 4 of MAPK3 (ERK1) encodes the activation phosphorylation sites of ERK1 kinase. Aberrant RNA splicing induced by SMNDC1 in cancer cells increases the retention of exon 4 during mRNA splicing, unleashes the kinase activity. SMNDC1 potentializes as a cancer therapeutic target.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is predicted to become the second leading cause of cancer-related deaths in the United States by 2020, due in part to innate resistance to widely used chemotherapeutic agents and limited knowledge about key molecular factors that drive tumor aggression. We previously reported a novel negative prognostic biomarker, keratin 17 (K17), whose overexpression in cancer results in shortened patient survival. In this study, we aimed to determine the predictive value of K17 and explore the therapeutic vulnerability in K17-expressing PDAC, using an unbiased high-throughput drug screen. Patient-derived data analysis showed that K17 expression correlates with resistance to Gemcitabine (Gem). In multiple in vitro models of PDAC, spanning human and murine PDAC cells, we determined that the expression of K17 results in a more than two-fold increase in resistance to Gem and 5-fluorouracil, key components of current standard-of-care chemotherapeutic regimens. Furthermore, through an unbiased drug screen, we discovered that Podophyllotoxin (PPT), a microtubule inhibitor, showed at least two-fold higher sensitivity in K17-expressing compared to K17-negative PDAC cells. In the clinic, another microtubule inhibitor, Paclitaxel (PTX), is used in combination with Gem as a first line chemotherapeutic regimen for pancreatic, breast, lung, and ovarian cancer. Surprisingly, we found that when combined with Gem, PPT but not PTX, was synergistic in inhibiting the viability of K17-expressing PDAC cells. This provides evidence that PPT or its derivatives could potentially be combined with Gem to enhance treatment efficacy for the approximately 50% of PDACs that express high levels of K17. In summary, we reported that K17 is a novel target for developing a biomarker-based personalized treatment for PDAC.

ABSTRACT Pancreatic adenosquamous carcinoma (PASC) is a rare and aggressive subtype of pancreatic cancer whose mutational origins are poorly understood. An early study reported somatic mutations in UPF1 , which encodes a core component of the nonsense-mediated mRNA decay (NMD) pathway, as a common signature of PASC, but subsequent studies did not observe these lesions in other PASC cohorts. The corresponding controversy about whether UPF1 mutations are important contributors to PASC has been exacerbated by a paucity of functional studies of these lesions. Here, we systematically assessed the potential roles of UPF1 mutations in PASC. We modeled two reported UPF1 mutations to find no consistent effects on pancreatic cancer growth, acquisition of adenosquamous features, UPF1 splicing, UPF1 protein levels, or NMD efficiency. We subsequently discovered that ~40% of UPF1 mutations reportedly present in PASCs are identical to standing genetic variation in the human population, suggesting that they are likely non-pathogenic inherited variation rather than pathogenic mutations. Our data suggest that UPF1 is not a common functional driver of PASC and motivate further attempts to identify unique genetic features defining these malignancies.