2-Hydroxyglutarate (2HG) exists as two enantiomers, (R)-2HG and (S)-2HG, and both are implicated in tumor progression via their inhibitory effects on α-ketoglutarate (αKG)-dependent dioxygenases. The former is an oncometabolite that is induced by the neomorphic activity conferred by isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) and IDH2 mutations, whereas the latter is produced under pathologic processes such as hypoxia. We report that IDH1/2 mutations induce a homologous recombination (HR) defect that renders tumor cells exquisitely sensitive to poly(adenosine 5'-diphosphate-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. This "BRCAness" phenotype of IDH mutant cells can be completely reversed by treatment with small-molecule inhibitors of the mutant IDH1 enzyme, and conversely, it can be entirely recapitulated by treatment with either of the 2HG enantiomers in cells with intact IDH1/2 proteins. We demonstrate mutant IDH1-dependent PARP inhibitor sensitivity in a range of clinically relevant models, including primary patient-derived glioma cells in culture and genetically matched tumor xenografts in vivo. These findings provide the basis for a possible therapeutic strategy exploiting the biological consequences of mutant IDH, rather than attempting to block 2HG production, by targeting the 2HG-dependent HR deficiency with PARP inhibition. Furthermore, our results uncover an unexpected link between oncometabolites, altered DNA repair, and genetic instability.

Abstract Purpose: Isocitrate dehydrogenase (IDH) mutations in glioma patients confer longer survival and may guide treatment decision making. We aimed to predict the IDH status of gliomas from MR imaging by applying a residual convolutional neural network to preoperative radiographic data. Experimental Design: Preoperative imaging was acquired for 201 patients from the Hospital of University of Pennsylvania (HUP), 157 patients from Brigham and Women's Hospital (BWH), and 138 patients from The Cancer Imaging Archive (TCIA) and divided into training, validation, and testing sets. We trained a residual convolutional neural network for each MR sequence (FLAIR, T2, T1 precontrast, and T1 postcontrast) and built a predictive model from the outputs. To increase the size of the training set and prevent overfitting, we augmented the training set images by introducing random rotations, translations, flips, shearing, and zooming. Results: With our neural network model, we achieved IDH prediction accuracies of 82.8% (AUC = 0.90), 83.0% (AUC = 0.93), and 85.7% (AUC = 0.94) within training, validation, and testing sets, respectively. When age at diagnosis was incorporated into the model, the training, validation, and testing accuracies increased to 87.3% (AUC = 0.93), 87.6% (AUC = 0.95), and 89.1% (AUC = 0.95), respectively. Conclusions: We developed a deep learning technique to noninvasively predict IDH genotype in grade II–IV glioma using conventional MR imaging using a multi-institutional data set. Clin Cancer Res; 24(5); 1073–81. ©2017 AACR.

Abstract Hypoxic and/or anoxic tumor cells can have increased rates of mutagenesis and altered DNA repair protein expression. Yet very little is known regarding the functional consequences of any hypoxia-induced changes in the expression of proteins involved in DNA double-strand break repair. We have developed a unique hypoxic model system using H1299 cells expressing an integrated direct repeat green fluorescent protein (DR-GFP) homologous recombination (HR) reporter system to study HR under prolonged chronic hypoxia (up to 72 h under 0.2% O2) without bias from altered proliferation, cell cycle checkpoint activation, or severe cell toxicity. We observed decreased expression of HR proteins due to a novel mechanism involving decreased HR protein synthesis. Error-free HR was suppressed 3-fold under 0.2% O2 as measured by the DR-GFP reporter system. This decrease in functional HR resulted in increased sensitivity to the DNA cross-linking agents mitomycin C and cisplatin but not to the microtubule-interfering agent, paclitaxel. Chronically hypoxic H1299 cells that had decreased functional HR were relatively radiosensitive [oxygen enhancement ratio (OER), 1.37] when compared with acutely hypoxic or anoxic cells (OER, 1.96–2.61). Using CAPAN1 cells isogenic for BRCA2 and siRNA to RAD51, we confirmed that the hypoxia-induced radiosensitivity was due to decreased HR capacity. Persistent down-regulation of HR function by the tumor microenvironment could result in low-fidelity DNA repair and have significant implications for response to therapy and genetic instability in human cancers. [Cancer Res 2008;68(2):605–14]

ABSTRACT Glioblastoma (GBM) is one of the most lethal malignancies in the United States with poor survival and high recurrence rates, suggesting the need for approaches targeting the most important molecular drivers of tumor growth. Here, we aimed to simultaneously target oncomiRs 10b and 21, which have been reported to drive the aggressive growth and invasiveness of GBM. We designed s hort (8-mer bases) gamma-( γ )-modified p eptide n ucleic a cids (sγPNAs), which target the seed region of oncomiRs 10b and 21 with high affinity. We entrapped these anti-miR sγPNAs in nanoparticles (NPs) formed from a block copolymer of poly(lactic acid) and hyperbranched polyglycerol (PLA-HPG); the NPs were also functionalized with aldehydes to produce bioadhesive NPs. We have previously shown that these bioadhesive NPs (BNPs) produce superior transfection efficiency, with a tropism for tumor cells. The sγPNA BNPs showed superior anti-miR efficacy in comparison to the regular full length PNA BNPs in vitro . When combined with temozolomide, sγPNA BNPs administered via convention-enhanced delivery (CED) inhibited the growth of intracranial tumors and significantly improved the survival of animals (>120 days). RNA sequencing analysis revealed the role of vascular endothelial growth factor A (VEGFA) and integrin beta 8 (ITGB8), direct targets of both miR-10b and miR-21, in mediating the tumor growth. Hence, we established that BNPs loaded with anti-seed sγPNAs targeting multiple oncomiRs is a promising approach to improve the treatment of GBM, with a potential to personalize treatment based on tumor specific oncomiRs. Summary Targeting oncomiRs 21 and 10b to improve GBM survival Glioblastoma (GBM) is an aggressive malignant disorder with high recurrence rates and poor survival. Here, we aimed to simultaneously inhibit two aberrant oncomiRs—miR 21 and miR 10b—which have been previously associated with GBM invasiveness and progression. We synthesized short, gamma-modified peptide nucleic acids (sγPNA) targeted to the miR seed regions and loaded the sγPNAs into bioadhesive nanoparticles (BNPs). When the sγPNA-BNPs were added to cultured tumor cells, we observed significant reduction of target oncomiRs and increase of apoptosis in vitro . When delivered in vivo by convection-enhanced delivery, sγPNA BNPs dramatically increased the survival in two orthotopic (intracranial) mouse models of GBM. Moreover, the combination of sγPNA BNPs with temozolomide (TMZ) increased the survival of mice with GBM beyond the planned endpoint (120 days) with significant improvements in histopathology. The proposed strategy of sγPNA BNP with TMZ provides an alternative, promising approach for treatment of GBM.

ABSTRACT DNA repair deficiencies have become an increasingly promising target for novel therapeutics within the realm of clinical oncology. Recently, several inhibitors of Poly(ADP-ribose) Polymerases (PARPs) have received approval for the treatment of cancers primarily with deleterious mutations in the homologous recombination (HR) proteins, BRCA1 and BRCA2. Despite numerous clinical trials which have been completed or are currently ongoing, the mechanism of action by which PARP inhibitors selectively kill tumor cells is poorly understood. While many believe “trapping” of PARP proteins to DNA at sites of damage is the most important determinant driving cytotoxicity by these drugs, clinically effective inhibitors exist with a diverse range of PARP-trapping qualities. These findings suggest that characterization of inhibitors as strong versus weak trappers does not properly capture the intra-class characteristics of these drugs. Here, we use a novel, targeted DNA damage response (DDR) CRISPR/Cas9 screening library to reveal heterogenous genetic dependencies on the base excision repair (BER) pathway for PARP inhibitors, which is not correlated with PARP trapping ability or catalytic inhibition of PARP. These findings demonstrate that inhibition of PARylation and induction of PARP trapping are not the only factors contributing to distinct biological activity for different PARP inhibitors, and they provide insight into the optimal choice of PARP inhibitors for use in the setting of specific DDR defects. AUTHOR SUMMARY Targeted cancer therapies rely on our general understanding of which genetic mutations are involved in both sensitivity and resistance to such anticancer agents. In this study, we describe the use of functional genetic screening to evaluate the role of various DNA repair proteins in response to inhibitors of PARP, a quintessential example of targeted therapy. While PARP inhibitors are best known for their utility in cancers with homologous recombination defects, we show that some inhibitors within this class may have additional functionality in cancers with deficient base excision repair. These findings highlight not only the importance of PARP inhibitor selection in the appropriate context, but also the mechanistic differences that exist within this class of inhibitors. It is our hope that our findings will inspire future work evaluating the use of specific PARP inhibitor selection in designing clinical trials to further expand the use of PARP inhibitors beyond tumors with homologous recombination deficiencies.

ABSTRACT Activation of the DNA damage response (DDR) due to chronic exposure to cigarette smoke (CS) is implicated in the pathogenesis of Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). However, not all smokers develop COPD and the pathologic consequences of CS exposure are heterogenous. Cellular mechanisms that regulate the DDR and contribute to disease progression in susceptible individuals are poorly understood. Because microRNAs are well known regulators of the DDR, we evaluated microRNA expression arrays performed on lung samples from 172 subjects with and without COPD. We identified miR-24-3p as the microRNA best correlated with radiographic emphysema (ρ=-0.353, P=1.3e-04) and validated this finding in multiple cohorts. In a CS-exposure mouse model, miR-24-3p inhibition increased emphysema severity. In human airway epithelial cells, miR-24-3p suppressed apoptosis through the BH3-only protein BIM and suppressed homology-directed DNA repair and the DNA repair protein BRCA1. Finally, we found BIM and BRCA1 were increased in COPD lung tissue and inversely correlated with miR-24-3p expression. We concluded that decreased miR-24-3p expression increases COPD susceptibility and potentiates the DDR through BIM and BRCA1.

Aberrant DNA repair is a hallmark of cancer, and many tumors display reduced DNA repair capacities that sensitize them to genotoxins. Here, we demonstrate that the differential DNA repair capacities of healthy and transformed tissue may be exploited to obtain highly selective chemotherapies. We show that the novel N3-(2-fluoroethyl)imidazotetrazine "KL-50" is a selective toxin toward tumors that lack the DNA repair protein O6-methylguanine-DNA-methyltransferase (MGMT), which reverses the formation of O6-alkylguanine lesions. We establish that KL-50 generates DNA interstrand cross-links (ICLs) by a multistep process comprising DNA alkylation to generate an O6-(2-fluoroethyl)guanine (O6FEtG) lesion, slow unimolecular displacement of fluoride to form an N1,O6-ethanoguanine (N1,O6EtG) intermediate, and ring-opening by the adjacent cytidine. The slow rate of N1,O6EtG formation allows healthy cells expressing MGMT to reverse the initial O6FEtG lesion before it evolves to N1,O6EtG, thereby suppressing the formation of toxic DNA–MGMT cross-links and reducing the amount of DNA ICLs generated in healthy cells. In contrast, O6-(2-chloroethyl)guanine lesions produced by agents such as lomustine and the N3-(2-chloroethyl)imidazotetrazine mitozolomide rapidly evolve to N1,O6EtG, resulting in the formation of DNA–MGMT cross-links and DNA ICLs in healthy tissue. These studies suggest that careful consideration of the rates of chemical DNA modification and biochemical DNA repair may lead to the identification of other tumor-specific genotoxic agents.

Hereditary Leiomyomatosis and Renal Cell Cancer (HLRCC) is an inherited cancer syndrome associated with a highly aggressive form of type 2 papillary renal cell carcinoma (PRCC). Germ line inactivating alterations in Fumarate Hydratase (FH) cause HLRCC, and result in elevated levels of reactive oxygen species (ROS). Recent work indicates that FH -/- PRCC cells have increased ABL1 activation, which promotes tumor growth, but how ABL1 is activated remained unclear. Oxidation can regulate protein-tyrosine phosphatase (PTP) catalytic activity; conceivably, ROS-catalyzed inactivation of an ABL-directed PTP might account for ABL1 activation in this malignancy. Previously, our group developed q-oxPTPome, a method that can globally monitor the oxidation of classical PTPs. We have now refined the q-oxPTPome approach, increasing its sensitivity by >10X. Applying q-oxPTPome to FH-deficient cell models shows that multiple PTPs are either highly oxidized (including PTPN12) or overexpressed. In general, highly oxidized PTPs were those that have relatively high sensitivity to exogenous H2O2. Most PTP oxidation in FH-deficient cells is reversible, although nearly 40% of PTPN13 is oxidized irreversibly to the sulfonic acid state. Using substrate-trapping mutants, we mapped PTPs to their putative substrates, and found that only PTPN12 could target ABL1. Furthermore, knockdown experiments identify PTPN12 as the major ABL1 phosphatase in HLRCC. Overall, our results show that ROS-induced PTPN12 oxidation accounts for ABL1 phosphorylation in HLRCC-associated PRCC, reveal a novel mechanism for inactivating a tumor suppressor gene product, and establish a direct link between pathological PTP oxidation and neoplastic disease.