Abstract Dynamic regulation of gene expression is fundamental for cellular adaptation to exogenous stressors. P-TEFb-mediated pause-release of RNA polymerase II (Pol II) is a conserved regulatory mechanism for synchronous transcriptional induction in response to heat shock, but this pro-survival role has not been examined in the applied context of cancer therapy. Using model systems of pediatric high-grade glioma, we show that rapid genome-wide reorganization of active chromatin facilitates P-TEFb-mediated nascent transcriptional induction within hours of exposure to therapeutic ionizing radiation. Concurrent inhibition of P-TEFb disrupts this chromatin reorganization and blunts transcriptional induction, abrogating key adaptive programs such as DNA damage repair and cell cycle regulation. This combination demonstrates a potent, synergistic therapeutic potential agnostic of glioma subtype, leading to a marked induction of tumor cell apoptosis and prolongation of xenograft survival. These studies reveal a central role for P-TEFb underpinning the early adaptive response to radiotherapy, opening avenues for combinatorial treatment in these lethal malignancies.

Mutations in the histone 3 gene (H3K27M) are the eponymous drivers in diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPGs) and other diffuse midline gliomas (DMGs), aggressive pediatric brain cancers for which no curative therapy currently exists. The salient molecular consequence of these recurrent oncohistones is a global loss of repressive H3K27me3 residues and broad epigenetic dysregulation. In order to identify specific, therapeutically targetable epigenetic dependencies within this disease context, we performed an shRNA screen targeting 408 genes classified as epigenetic/chromatin-associated molecules in patient-derived DMG cultures. This approach identified AFF4, the scaffold protein of the super elongation complex (SEC), as a previously-undescribed dependency in DMG. Interrogation of SEC function demonstrated a key role for maintaining DMG cell viability and clonogenic potential while promoting self-renewal of DMG tumor stem cells. Small-molecule inhibition of the SEC with the highly-specific, clinically relevant CDK9 inhibitors atuveciclib and AZD4573 restores regulatory RNA polymerase II pausing, promotes cellular differentiation, and leads to potent anti-tumor effect both in vitro and in patient-derived xenograft models. These studies present a biologic rationale for translational exploration of CDK9 inhibition as a promising therapeutic approach in a disease which currently has no effective medical therapies.

Abstract BACKGROUND The highest-risk medulloblastomas are driven by recurrent Myc amplifications (Myc-MB) and experience poorer outcomes despite intensive multimodal therapy. The Myc transcription factor defines core regulatory circuitry for these tumors and acts to broadly amplify downstream pro-survival transcriptional programs. Therapeutic targeting of Myc directly has proven elusive, but inhibiting transcriptional cofactors may present an indirect means of drugging the oncogenic transcriptional circuitry sustaining Myc-MB. METHODS Independent CRISPR-Cas9 screens were pooled to identify conserved dependencies in Myc-MB. We performed chromatin conformation capture (Hi-C) from primary patient Myc-MB samples to map enhancer-promoter interactions. We then treated in vitro and xenograft models with the dual CDK9/7 inhibitor zotiraciclib to evaluate effect on Myc-driven programs and tumor growth. RESULTS Eight CRISPR-Cas9 screens performed across three independent labs identify CDK9 as a conserved dependency in Myc-MB. Myc-MB cell lines are sensitive to CDK9 inhibition at low nanomolar concentrations, and these synergize with CDK7 inhibition. We find that treatment with the dual CDK9/7 inhibitor zotiraciclib depletes Myc binding and transcriptional activity at enhancer elements within the Myc topologically associated domain, largely abrogating transcriptional output from the Myc promoter. This leads to a decrease in Myc binding genome-wide with a concordant downregulation of hallmark Myc-driven transcriptional programs. Clinically relevant CDK9 inhibitors show variable efficacy in vivo, but CNS-penetrant agents achieved a significant prolongation in xenograft survival. CONCLUSIONS CDK9/7 catalytic activity represents a druggable vulnerability underpinning Myc-driven transcriptional programs. The development of CNS-penetrant CDK9/7 inhibitors may open new avenues for rational therapy in these high-risk medulloblastomas.

Abstract BACKGROUND High-grade gliomas (HGGs) are a leading cause of cancer-associated death in children. Radiation therapy (RT) continues to be the only standard-of-care treatment across HGG subtypes, but disease frequently recurs following only a transient response. We have recently identified that HGGs utilize the pro-survival BCL-2 family of proteins to evade cell death after radiation, and we demonstrated that effective inhibition of BCL-2 with the CNS-penetrant drug venetoclax could be utilized to disrupt this resistance and augment radiation-induced cell killing. While this treatment significantly prolonged survival in orthotopic mouse models of pediatric HGG, tumors invariably developed resistance to single-agent venetoclax and recurred. METHODS We profiled tumors from venetoclax-resistant animals for alternate BCL-2 family binding. We then assessed susceptibility to MCL1 inhibition in venetoclax-treated or treatment naïve culture models. Synergy was tested in vitro, and mitochondrial ROS production and induction of apoptosis was assessed using the MCL1-specific agent S63845. Finally, venetoclax and S63845 were tested in combination following fractionated radiotherapy in orthotopic models of DIPG. RESULTS MCL1 is an acquired dependency following treatment with RT + venetoclax. S63845 synergizes with venetoclax following RT to drive mitochondrial ROS production and apoptosis. The combination of venetoclax and S63845 significantly prolongs survival in xenograft models of DIPG. CONCLUSIONS Combinatorial targeting with BH3 mimetics augments radiation-induced cell killing and may open new therapeutic avenues for pediatric HGG.

A bstract Dynamic regulation of gene expression is fundamental for cellular adaptation to exogenous stressors. PTEFb-mediated pause-release of RNA polymerase II (Pol II) is a conserved regulatory mechanism for synchronous transcriptional induction in response to heat shock, but this pro-survival role has not been examined in the applied context of cancer therapy. Using model systems of pediatric high-grade glioma, we show that rapid genome-wide reorganization of active chromatin facilitates PTEFb-mediated nascent transcriptional induction within hours of exposure to therapeutic ionizing radiation. Concurrent inhibition of PTEFb disrupts this chromatin reorganization and blunts transcriptional induction, abrogating key adaptive programs such as DNA damage repair and cell cycle regulation. This combination demonstrates a potent, synergistic therapeutic potential agnostic of glioma subtype, leading to a marked induction of tumor cell apoptosis and prolongation of xenograft survival. These studies reveal a central role for PTEFb underpinning the early adaptive response to radiotherapy, opening new avenues for combinatorial treatment in these lethal malignancies.