Adult cancers may derive from stem or early progenitor cells. Epigenetic modulation of gene expression is essential for normal function of these early cells but is highly abnormal in cancers, which often show aberrant promoter CpG island hypermethylation and transcriptional silencing of tumor suppressor genes and pro-differentiation factors. We find that for such genes, both normal and malignant embryonic cells generally lack the hypermethylation of DNA found in adult cancers. In embryonic stem cells, these genes are held in a 'transcription-ready' state mediated by a 'bivalent' promoter chromatin pattern consisting of the repressive mark, histone H3 methylated at Lys27 (H3K27) by Polycomb group proteins, plus the active mark, methylated H3K4. However, embryonic carcinoma cells add two key repressive marks, dimethylated H3K9 and trimethylated H3K9, both associated with DNA hypermethylation in adult cancers. We hypothesize that cell chromatin patterns and transient silencing of these important regulatory genes in stem or progenitor cells may leave these genes vulnerable to aberrant DNA hypermethylation and heritable gene silencing during tumor initiation and progression.

T-cell defects and premature thymic atrophy occur in cancer patients and tumor-bearing animals. We demonstrate that exposure of mice to recombinant vascular endothelial growth factor (VEGF) at concentrations similar to those observed in advanced stage cancer patients reproduces this profound thymic atrophy and is highlighted by a dramatic reduction in CD4+/CD8+ thymocytes. We find that VEGF does not induce thymocyte apoptosis, but instead rapidly decreases the number of the earliest observable progenitors in the thymus. VEGF does not inhibit thymocyte development in fetal thymic organ culture, further suggesting a prethymic effect. We also demonstrate that bone marrow progenitors from animals infused with recombinant VEGF and transferred to irradiated untreated animals recolonize the thymus more efficiently than progenitors from control animals. This suggests that VEGF exposure is associated with an increased population of thymus-committed progenitors in the bone marrow. We hypothesize that pathophysiologically relevant concentrations of VEGF may block the differentiation and/or emigration of these progenitors resulting in the observed thymic atrophy. Removal of VEGF via cessation of infusion or adoptive transfer of progenitors to a congenic host induces a preferential commitment of lymphoid progenitors to the T lineage and results in a restoration of the normal composition and cellularity of the thymus. These data demonstrate that at pathophysiologic concentrations, VEGF interferes with the development of T cells from early hematopoetic progenitor cells and this may contribute to tumor-associated immune deficiencies.

Epidermal growth factor receptor (EGFR) is occasionally amplified and/or mutated in non-small cell lung cancer (NSCLC) and can be coexpressed with other members of the HER receptor family to form functional heterodimers. We therefore investigated lung cancer cell lines for alterations in EGFR gene copy number, enhanced expression of EGFR and other HER family members, and EGFR coding sequence mutations and correlated these findings with response to treatment with the EGFR inhibitors and the kinetics of ligand-induced signaling. We show here that somatic deletions in the tyrosine kinase domain of EGFR were associated with increased EGFR gene copy number in NSCLC. Treatment with the specific EGFR tyrosine kinase inhibitors (TKI) gefitinib or erlotinib or the EGFR inhibitory antibody cetuximab induced apoptosis of HCC827, a NSCLC cell line with EGFR gene amplification and an exon 19 deletion. H1819, a NSCLC cell line that expresses high levels of EGFR, ErbB2, and ErbB3 but has wild-type EGFR, showed intermediate sensitivity to TKIs. In both cell lines, ligand-induced receptor tyrosine phosphorylation was delayed and prolonged and AKT was constitutively phosphorylated (but remained inhibitable by EGFR TKI). Thus, in addition to EGFR mutations, other factors in NSCLC cells, such as high expression of ErbB family members, may constitutively activate AKT and sensitize cells to EGFR inhibitors.

Abstract We report here that butyrate, a naturally occurring fatty acid commonly used as a nutritional supplement and differentiation agent, greatly enhances the efficiency of induced pluripotent stem (iPS) cell derivation from human adult or fetal fibroblasts. After transient butyrate treatment, the iPS cell derivation efficiency is enhanced by 15- to 51-fold using either retroviral or piggyBac transposon vectors expressing 4 to 5 reprogramming genes. Butyrate stimulation is more remarkable (>100- to 200-fold) on reprogramming in the absence of either KLF4 or MYC transgene. Butyrate treatment did not negatively affect properties of iPS cell lines established by either 3 or 4 retroviral vectors or a single piggyBac DNA transposon vector. These characterized iPS cell lines, including those derived from an adult patient with sickle cell disease by either the piggyBac or retroviral vectors, show normal karyotypes and pluripotency. To gain insights into the underlying mechanisms of butyrate stimulation, we conducted genome-wide gene expression and promoter DNA methylation microarrays and other epigenetic analyses on established iPS cells and cells from intermediate stages of the reprogramming process. By days 6 to 12 during reprogramming, butyrate treatment enhanced histone H3 acetylation, promoter DNA demethylation, and the expression of endogenous pluripotency-associated genes, including DPPA2, whose overexpression partially substitutes for butyrate stimulation. Thus, butyrate as a cell permeable small molecule provides a simple tool to further investigate molecular mechanisms of cellular reprogramming. Moreover, butyrate stimulation provides an efficient method for reprogramming various human adult somatic cells, including cells from patients that are more refractory to reprogramming.

The class III histone deactylase (HDAC), SIRT1, has cancer relevance because it regulates lifespan in multiple organisms, down-regulates p53 function through deacetylation, and is linked to polycomb gene silencing in Drosophila. However, it has not been reported to mediate heterochromatin formation or heritable silencing for endogenous mammalian genes. Herein, we show that SIRT1 localizes to promoters of several aberrantly silenced tumor suppressor genes (TSGs) in which 5′ CpG islands are densely hypermethylated, but not to these same promoters in cell lines in which the promoters are not hypermethylated and the genes are expressed. Heretofore, only type I and II HDACs, through deactylation of lysines 9 and 14 of histone H3 (H3-K9 and H3-K14, respectively), had been tied to the above TSG silencing. However, inhibition of these enzymes alone fails to re-activate the genes unless DNA methylation is first inhibited. In contrast, inhibition of SIRT1 by pharmacologic, dominant negative, and siRNA (small interfering RNA)–mediated inhibition in breast and colon cancer cells causes increased H4-K16 and H3-K9 acetylation at endogenous promoters and gene re-expression despite full retention of promoter DNA hypermethylation. Furthermore, SIRT1 inhibition affects key phenotypic aspects of cancer cells. We thus have identified a new component of epigenetic TSG silencing that may potentially link some epigenetic changes associated with aging with those found in cancer, and provide new directions for therapeutically targeting these important genes for re-expression.

Many DNA-hypermethylated cancer genes are occupied by the Polycomb (PcG) repressor complex in embryonic stem cells (ESCs). Their prevalence in the full spectrum of cancers, the exact context of chromatin involved, and their status in adult cell renewal systems are unknown. Using a genome-wide analysis, we demonstrate that ∼75% of hypermethylated genes are marked by PcG in the context of bivalent chromatin in both ESCs and adult stem/progenitor cells. A large number of these genes are key developmental regulators, and a subset, which we call the “DNA hypermethylation module,” comprises a portion of the PcG target genes that are down-regulated in cancer. Genes with bivalent chromatin have a low, poised gene transcription state that has been shown to maintain stemness and self-renewal in normal stem cells. However, when DNA-hypermethylated in tumors, we find that these genes are further repressed. We also show that the methylation status of these genes can cluster important subtypes of colon and breast cancers. By evaluating the subsets of genes that are methylated in different cancers with consideration of their chromatin status in ESCs, we provide evidence that DNA hypermethylation preferentially targets the subset of PcG genes that are developmental regulators, and this may contribute to the stem-like state of cancer. Additionally, the capacity for global methylation profiling to cluster tumors by phenotype may have important implications for further refining tumor behavior patterns that may ultimately aid therapeutic interventions.

Abstract Ewing sarcoma is the second most common bone malignancy in children and adolescents. Patients with upfront metastatic or recurrent disease have poor outcomes with 5-year survival rates of <30%. CDC7, also known as DDK (DBF4-dependent kinase), is a serine-threonine kinase that, in coordination with its activation subunit ASK (or DBF4), is involved in a diverse array of cellular functions including the regulation of DNA replication initiation and activation of the replication stress response. Due to DDK’s diverse roles during replication, coupled with an increased level of genomic instability and R-loop-mediated replication stress within Ewing sarcoma cells, we hypothesized that Ewing sarcoma cells would be particularly vulnerable to DDK inhibitors. Here, we show that treatment with two selective DDK inhibitors, TAK-931 and XL413, results in apoptosis and a significant reduction in cell viability in EWS-FLI1-harboring Ewing sarcoma cell lines. We show that low dose DDK inhibition in Ewing sarcoma cells causes an accumulation of cells in late-S phase with a reduced replication capacity. There is also evidence of premature mitotic entry indicating an inability to properly complete DNA replication in a timely manner upon DDK inhibition. Also, there is a significant increase in the formation of micronuclei and other aberrant mitotic structures upon DDK inhibition in Ewing sarcoma cells indicating a failure to properly progress through S-phase followed by improper mitotic entry/progression, resulting in mitotic catastrophe. Interestingly, we observed minimal signs of mitotic accumulation, despite clear evidence of replication and mitotic stress, suggesting a failure to properly enforce the mitotic checkpoint. Together, these results suggest that Ewing sarcoma cells rely on the activity of DDK to maintain cell viability and suggest that DDK inhibition may prove to be a viable therapeutic strategy for patients with Ewing sarcoma.

Abstract Ewing sarcoma (EwS) is a rare and aggressive disease that typically affects the bone of children and young adults. Although there are moderate 5-year survival rates for primary disease, there is a high rate of recurrence and a lack of targeted therapies in this setting. Furthermore, pediatric exposure to chemotherapies leads to an increased risk of long-term complications, including secondary cancers, cardiomyopathy, and infertility. Therefore, there is a desperate need for targeted therapies which improve therapeutic outcomes and reduce exposure to chemotherapy in these patients. Like many pediatric cancers, EwS has a low mutational burden. Instead, it is driven by chromosomal translocation between a FET family member, EWSR1, and an ETS family member, usually FLI1. The EWSR1-FLI1 fusion protein acts as an aberrant and oncogenic transcription factor, disrupting cell cycle control, cell migration, and proliferation. ETS family members in these fusions retain their ability to bind to the SWI/SNF chromatin remodeling complex, further dysregulating DNA methylation and gene expression. Although targeting of the EWSR1 fusion has not yet been successful, these elevated levels of replication stress (RS) present a unique element of vulnerability within the cell. To this end, our lab has previously identified replication stress response (RSR) inhibitors, DDKi and WEE1i, which can be utilized to exploit the characteristic ability of EwS to maintain high levels of replication stress (RS) and push EwS cells into mitotic catastrophe in vitro. Here, we evaluate the efficacy of the replication stress response inhibitors (RSRi) TAK931 (DDKi) and MK1775 (WEE1i) with chemotherapy regimens commonly utilized in the relapsed/refractory setting in vivo. Using cell line derived xenografts in NSG mice, we show that DDKi and WEE1i with irinotecan limits tumor growth significantly more than existing therapy (temozolomide + irinotecan). Dosing schedules are optimized through dosing de-escalation and alternative-day dosing strategies. We further demonstrate the ability of our RSRi combination to effectively limit tumor growth over time in vivo even when irinotecan dosage is decreased. We go on to investigate the RSRi combination in the presence of ultra-low dose irinotecan. Finally, we utilize reduced representation bisulfite sequencing to examine the epigenetic effects of these treatment regimens. Overall, the exploitation of high endogenous replication stress in EwS by targeted RSRi presents a promising potential therapeutic option for this pediatric patient population. Citation Format: Emily Isenhart, Ajay Gupta, Bryan Gillard, Kristopher Attwood, Joyce Ohm. Exploiting endogenous replication stress with a novel targeted therapy in Ewing sarcoma [abstract]. In: Proceedings of the AACR Special Conference in Cancer Research: Expanding and Translating Cancer Synthetic Vulnerabilities; 2024 Jun 10-13; Montreal, Quebec, Canada. Philadelphia (PA): AACR; Mol Cancer Ther 2024;23(6 Suppl):Abstract nr A015.

Rural workers are disproportionally exposed to pesticides and might be at an increased risk of developing chronic diseases. Here, we investigated the impact of pesticide exposure on breast cancer (BC) risk and disease profile in rural female workers. This is a case-control study that prospectively included 758 individuals. The study was conducted in the Southwest region of Paraná state in Brazil, a region characterized by family-based agriculture and intensive use of pesticides. We found that this region has a 41% higher BC diagnosis rate and 14% higher BC mortality rate than the mean rates in Brazil, as well as a pesticide trade volume about 6 times higher than the national average. We showed substantial exposure in this population and found that even women who did not work in the fields but performed equipment decontamination and clothes washing of male partners who worked in the fields had urine samples positive for glyphosate, atrazine, and/or 2,4-D. The crude association showed a significantly higher risk of BC among women exposed to pesticides (OR: 1.58, 95% CI 1.18–2.13). Adjusted analyses showed a lower and nonstatistically significant association (OR: 1.30, 95% CI 41 0.87–1.95). Stratification on disease profile showed a significantly higher risk of lymph node metastasis (adjusted OR: 2.19, 95% CI 1.31–3.72) in women exposed to pesticides. Our findings suggest that female populations exposed to pesticides are at a higher risk of developing BC with a more aggressive profile and draw attention to the need to monitor rural populations potentially exposed to pesticides in the field or at home.