SUMMARY Neuroblastoma is a pediatric cancer arising from the developing sympathoadrenal lineage with complex inter- and intra-tumoral heterogeneity. To chart this complexity, we generated a comprehensive cell atlas of 55 neuroblastoma patient tumors, collected from two pediatric cancer institutions, spanning a range of clinical, genetic, and histologic features. Our atlas combines single-cell/nucleus RNA-seq (sc/scRNA-seq), bulk RNA-seq, whole exome sequencing, DNA methylation profiling, spatial transcriptomics, and two spatial proteomic methods. Sc/snRNA-seq revealed three malignant cell states with features of sympathoadrenal lineage development. All of the neuroblastomas had malignant cells that resembled sympathoblasts and the more differentiated adrenergic cells. A subset of tumors had malignant cells in a mesenchymal cell state with molecular features of Schwann cell precursors. DNA methylation profiles defined four groupings of patients, which differ in the degree of malignant cell heterogeneity and clinical outcomes. Using spatial proteomics, we found that neuroblastomas are spatially compartmentalized, with malignant tumor cells sequestered away from immune cells. Finally, we identify spatially restricted signaling patterns in immune cells from spatial transcriptomics. To facilitate the visualization and analysis of our atlas as a resource for further research in neuroblastoma, single cell, and spatial-omics, all data are shared through the Human Tumor Atlas Network Data Commons at www.humantumoratlas.org .

ABSTRACT Survival in high-risk pediatric neuroblastoma has remained around 50% for the last 20 years, with immunotherapies and targeted therapies having had minimal impact. Here, we identify the small molecule CX-5461 as selectively cytotoxic to high-risk neuroblastoma and synergistic with low picomolar concentrations of topoisomerase I inhibitors improving survival in vivo in orthotopic patient-derived xenograft neuroblastoma mouse models. CX-5461 recently progressed through phase I clinical trial as a first-in-human inhibitor of RNA-POL I. However, we also use a comprehensive panel of in vitro and in vivo assays to demonstrate that CX-5461 has been mischaracterized and that its primary target at pharmacologically relevant concentrations, is in fact topoisomerase II beta ( TOP2B ), not RNA-POL I. These findings are important because existing clinically approved chemotherapeutics have well-documented off-target interactions with TOP2B, which have previously been shown to cause both therapy-induced leukemia and cardiotoxicity—often-fatal adverse events, which can emerge several years after treatment. Thus, while we show that combination therapies involving CX-5461 have promising anti-tumor activity in vivo in neuroblastoma, our identification of TOP2B as the primary target of CX-5461 indicates unexpected safety concerns that should be examined in ongoing phase II clinical trials in adult patients before pursuing clinical studies in children.

Abstract Rhabdomyosarcoma (RMS) is a pediatric tumor that resembles undifferentiated muscle cells; yet the extent to which cell state heterogeneity is shared with human development has not been described. Using single-cell/nucleus RNA sequencing from patient tumors, patient-derived xenografts, primary in vitro cultures, and cell lines, we identify four dominant muscle-lineage cell states: progenitor, proliferative, differentiated, and ground cells. We stratify these RMS cells/nuclei along the continuum of human muscle development and show that they share expression patterns with fetal/embryonal myogenic precursors rather than postnatal satellite cells. Fusion-negative RMS (FN-RMS) have a discrete stem cell hierarchy that recapitulates fetal muscle development and contain therapy-resistant FN-RMS progenitors that share transcriptomic similarity with bipotent skeletal mesenchymal cells. Fusion-positive RMS have tumor-acquired cells states, including a neuronal cell state, that are not found in myogenic development. This work identifies previously underappreciated cell state heterogeneity including unique treatment-resistant and tumor-acquired cell states that differ across RMS subtypes.

Abstract Pediatric sarcomas represent a heterogeneous group of malignancies that exhibit variable response to DNA damaging chemotherapy. Schlafen family member 11 protein (SLFN11) increases sensitivity to replicative stress, and SLFN11 gene silencing has been implicated as a common mechanism of drug resistance in tumors in adults. We found SLFN11 to be widely expressed in our cohort of pediatric sarcomas. In sarcoma cell lines, protein expression strongly correlated with response to the PARP inhibitor talazoparib (TAL) and the topoisomerase I inhibitor irinotecan (IRN), with SLFN11 knockout resulting in significant loss of sensitivity in vitro and in vivo. However, SLFN11 expression was not associated with favorable outcomes in a retrospective analysis of our patient cohort; instead, the protein was retained and promoted tumor growth and evasion. Furthermore, we show that pediatric sarcomas develop resistance to TAL and IRN through impaired intrinsic apoptosis, and that resistance can be reversed by selective inhibition of BCL-XL. Statement of Significance The role of SLFN11 in pediatric sarcomas has not been thoroughly explored. In contrast to its activity in adult tumors, SLFN11 did not predict favorable outcomes in pediatric patients, was not silenced, and promoted tumor growth. Resistance to replicative stress in SLFN11-expressing sarcomas was reversed by selective inhibition of BCL-XL.

Abstract Rhabdomyosarcoma (RMS) is a pediatric cancer with features of skeletal muscle; patients with unresectable or metastatic RMS fare poorly due to high rates of disease recurrence. Here, we use single cell and single nucleus RNA-sequencing to show that RMS tumors recapitulate the spectrum of embryonal myogenesis. Using matched patient samples from a clinical trial and orthotopic patient-derived xenografts (O-PDXs), we show chemotherapy eliminates the most proliferative component with features of myoblasts; after treatment, the quiescent immature population with features of paraxial mesoderm expands to reconstitute the developmental hierarchy of the original tumor. We discovered that this paraxial mesoderm population is dependent on EGFR signaling and is sensitive to EGFR inhibitors. Taken together, this data serves as a proof-of-concept that targeting each developmental state in RMS is an effective strategy for improving outcomes by preventing disease recurrence.

Retinoic acid (RA) is a standard-of-care neuroblastoma drug thought to be effective by inducing differentiation. Curiously, RA has little effect on primary human tumors during upfront treatment but can eliminate neuroblastoma cells from the bone marrow during post-chemo consolidation therapy-a discrepancy that has never been explained. To investigate this, we treated a large cohort of neuroblastoma cell lines with RA and observed that the most RA-sensitive cells predominantly undergo apoptosis or senescence, rather than differentiation. We conducted genome-wide CRISPR knockout screens under RA treatment, which identified BMP signaling as controlling the apoptosis/senescence vs differentiation cell fate decision and determining RA's overall potency. We then discovered that BMP signaling activity is markedly higher in neuroblastoma patient samples at bone marrow metastatic sites, providing a plausible explanation for RA's ability to clear neuroblastoma cells specifically from the bone marrow, seemingly mimicking interactions between BMP and RA during normal development.

Aggressive cancers often have activating mutations in growth controlling oncogenes and inactivating mutations in tumor-suppressor genes. In neuroblastoma, amplification of the MYCN oncogene and inactivation of the ATRX tumor-suppressor gene correlate with high-risk disease and poor prognosis. Here we show that ATRX mutations and MYCN amplification are mutually exclusive across all ages and stages in neuroblastoma. Using human cell lines and mouse models, we found that elevated MYCN expression and ATRX mutations are incompatible. Elevated MYCN levels promote metabolic reprogramming, mitochondrial dysfunction, reactive-oxygen species generation, and DNA replicative stress. The combination of replicative stress caused by defects in the ATRX histone chaperone complex and that induced by MYCN mediated metabolic reprogramming leads to synthetic lethality. Therefore, ATRX and MYCN represent an unusual example, where inactivation of a tumor-suppressor gene and activation of an oncogene are incompatible. This synthetic lethality may eventually be exploited to improve outcomes for patients with high risk neuroblastoma.