Abstract Background A key feature distinguishing high-grade glioma (HGG) from low-grade glioma (LGG) is the extensive neovascularization and endothelial hyperproliferation. Prior work has shown that tumor endothelial cells (TEC) from HGG are molecularly and functionally distinct from normal brain EC and secrete higher levels of pro-tumorigenic factors that promote glioma growth and progression. However, it remains unclear whether TEC from LGG also express pro-tumorigenic factors, and to what extent they functionally contribute to glioma growth. Methods Transcriptomic profiling was conducted on tumor endothelial cells (TEC) from grade II/III (LGG, IDH-mutant) and grade IV HGG (IDH-wildtype). Functional differences between LGG- and HGG-TEC were evaluated using growth assays, resistance to anti-angiogenic drugs and radiation therapy. Conditioned media and specific factors from LGG- and HGG-TEC were tested on patient-derived gliomasphere lines using growth assays in vitro and in co-transplantation studies in vivo in orthotopic xenograft models. Results LGG-TEC showed enrichment of extracellular matrix and cell cycle-related gene sets and sensitivity to anti-angiogenic therapy whereas HGG-TEC displayed an increase in immune response-related gene sets and anti-angiogenic resistance. LGG- and HGG-TEC displayed opposing effects on growth and proliferation of IDH-wildtype and mutant tumor cells. Asporin (ASPN), a small leucine rich proteoglycan enriched in LGG-TEC was identified as a growth suppressor of IDH-wildtype GBM by modulating TGFΒ1-GPM6A signaling. Conclusions Our findings indicate that TEC from LGG and HGG are molecularly and functionally heterogeneous and differentially regulate the growth of IDH-wildtype and mutant tumors.

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.

Abstract Background Non-enhancing (NE) infiltrating tumor cells beyond the contrast-enhancing (CE) bulk of tumor are potential propagators of recurrence after gross total resection of high-grade glioma. Methods We leveraged single-nucleus RNA-sequencing on 15 specimens from 5 high grade gliomas to compare prospectively identified biopsy specimens acquired from CE and NE regions. Additionally, 24 CE and 22 NE biopsies had immunohistochemical staining for Ki67 to identify proliferative cell burden. Results Tumor cells in NE regions are enriched in neural progenitor cell-like cellular states, while CE regions are enriched for mesenchymal-like states. These NE glioma cells have similar proportions of proliferative and putative glioma stem cells relative to CE regions, without significant differences in % Ki67 staining. Tumor cells in NE regions exhibit upregulation of genes previously associated with lower grade gliomas. Cell-, gene-, and pathway-level analyses of the tumor microenvironment in the NE region reveal relative downregulation of tumor-mediated neovascularization and presence of cell-mediated immune response, but increased glioma-to-non-pathological cellular interactions. Conclusions This comprehensive analysis illustrates differing tumor and non-tumor landscapes of CE and NE regions in high-grade gliomas, highlighting the NE region as an area harboring likely initiators of recurrence in a pro-tumor microenvironment and identifying possible targets for future design of NE-specific adjuvant therapy. Key Points Significant proliferating tumor burden exist in non-enhancing regions of glioma; non-enhancing regions have unique tumor and non-tumor expression properties Importance of Study Standard of care treatment for glioblastoma relies on visualization of tumor via contrast-enhanced magnetic resonance imaging. However, non-enhancing regions harbor tumor cells that should be targets for adjuvant therapy given these regions are not resected in surgery. To begin addressing these infiltrating non-enhancing tumor cells, we thoroughly characterize the tumor and non-tumor microenvironment of non-enhancing regions in high grade gliomas. Understanding the total tumor burden, proliferating tumor ratio, and presence of putative glioma stem cells may help design adjuvant therapies for these unique population of tumor cells. Understanding the non-tumor immune and vascular microenvironment may help target these areas in regards to drug delivery and immunotherapy. Overall, in a disease marked by significant intratumoral heterogeneity, we focus identifying therapeutic strategies for areas not addressed at surgery.

Abstract Targeting glioblastoma (GBM) based on molecular subtyping have not yet translated into successful therapies. Here, we used gene set enrichment analysis (GSEA) to conduct an unsupervised clustering analysis to condense the gene expression data from bulk patient samples and patient-derived gliomasphere lines into new gene lists. We then identified key molecular pathways differentially regulated between tumors. These gene lists associated not only with cell cycle and stemness signatures, but also with cell-type specific markers and different cellular states of GBM. We identified the transcription factor E2F1 as a key regulator of tumor cell proliferation and self-renewal in only the subset of proliferating gliomasphere cultures predicted to be E2F1-activated and validated its functional significance in tumor formation capacity. E2F1 inhibition also sensitized E2F1-activated gliomasphere cultures to radiation treatment. Our findings indicate that a pathway-based approach can be leveraged to deconstruct inter-tumoral heterogeneity and uncover key therapeutic vulnerabilities for targeting GBM.

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 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.