Cancer is a disease of ageing. Clinically, aged cancer patients tend to have a poorer prognosis than young. This may be due to accumulated cellular damage, decreases in adaptive immunity, and chronic inflammation. However, the effects of the aged microenvironment on tumour progression have been largely unexplored. Since dermal fibroblasts can have profound impacts on melanoma progression, we examined whether age-related changes in dermal fibroblasts could drive melanoma metastasis and response to targeted therapy. Here we find that aged fibroblasts secrete a Wnt antagonist, sFRP2, which activates a multi-step signalling cascade in melanoma cells that results in a decrease in β-catenin and microphthalmia-associated transcription factor (MITF), and ultimately the loss of a key redox effector, APE1. Loss of APE1 attenuates the response of melanoma cells to DNA damage induced by reactive oxygen species, rendering the cells more resistant to targeted therapy (vemurafenib). Age-related increases in sFRP2 also augment both angiogenesis and metastasis of melanoma cells. These data provide an integrated view of how fibroblasts in the aged microenvironment contribute to tumour progression, offering new possibilities for the design of therapy for the elderly.

Physical changes in skin are among the most visible signs of aging. We found that young dermal fibroblasts secrete high levels of extracellular matrix (ECM) constituents, including proteoglycans, glycoproteins, and cartilage-linking proteins. The most abundantly secreted was HAPLN1, a hyaluronic and proteoglycan link protein. HAPLN1 was lost in aged fibroblasts, resulting in a more aligned ECM that promoted metastasis of melanoma cells. Reconstituting HAPLN1 inhibited metastasis in an aged microenvironment, in 3-D skin reconstruction models, and

Abstract Purpose: We have shown that the aged microenvironment increases melanoma metastasis, and decreases response to targeted therapy, and here we queried response to anti-PD1. Experimental Design: We analyzed the relationship between age, response to anti-PD1, and prior therapy in 538 patients. We used mouse models of melanoma, to analyze the intratumoral immune microenvironment in young versus aged mice and confirmed our findings in human melanoma biopsies. Results: Patients over the age of 60 responded more efficiently to anti-PD-1, and likelihood of response to anti-PD-1 increased with age, even when we controlled for prior MAPKi therapy. Placing genetically identical tumors in aged mice (52 weeks) significantly increased their response to anti-PD1 as compared with the same tumors in young mice (8 weeks). These data suggest that this increased response in aged patients occurs even in the absence of a more complex mutational landscape. Next, we found that young mice had a significantly higher population of regulatory T cells (Tregs), skewing the CD8+:Treg ratio. FOXP3 staining of human melanoma biopsies revealed similar increases in Tregs in young patients. Depletion of Tregs using anti-CD25 increased the response to anti-PD1 in young mice. Conclusions: While there are obvious limitations to our study, including our inability to conduct a meta-analysis due to a lack of available data, and our inability to control for mutational burden, there is a remarkable consistency in these data from over 500 patients across 8 different institutes worldwide. These results stress the importance of considering age as a factor for immunotherapy response. Clin Cancer Res; 24(21); 5347–56. ©2018 AACR. See related commentary by Pawelec, p. 5193

An emerging concept in melanoma biology is that of dynamic, adaptive phenotype switching, where cells switch from a highly proliferative, poorly invasive phenotype to a highly invasive, less proliferative one. This switch may hold significant implications not just for metastasis, but also for therapy resistance. We demonstrate that phenotype switching and subsequent resistance can be guided by changes in expression of receptors involved in the noncanonical Wnt5A signaling pathway, ROR1 and ROR2. ROR1 and ROR2 are inversely expressed in melanomas and negatively regulate each other. Furthermore, hypoxia initiates a shift of ROR1-positive melanomas to a more invasive, ROR2-positive phenotype. Notably, this receptor switch induces a 10-fold decrease in sensitivity to BRAF inhibitors. In patients with melanoma treated with the BRAF inhibitor vemurafenib, Wnt5A expression correlates with clinical response and therapy resistance. These data highlight the fact that mechanisms that guide metastatic progression may be linked to those that mediate therapy resistance.These data show for the fi rst time that a single signaling pathway, the Wnt signaling pathway, can effectively guide the phenotypic plasticity of tumor cells, when primed to do so by a hypoxic microenvironment. Importantly, this increased Wnt5A signaling can give rise to a subpopulation of highly invasive cells that are intrinsically less sensitive to novel therapies for melanoma, and targeting the Wnt5A/ROR2 axis could improve the efficacy and duration of response for patients with melanoma on vemurafenib.

Even among genetically identical cancer cells, resistance to therapy frequently emerges from a small subset of those cells1-7. Molecular differences in rare individual cells in the initial population enable certain cells to become resistant to therapy7-9; however, comparatively little is known about the variability in the resistance outcomes. Here we develop and apply FateMap, a framework that combines DNA barcoding with single-cell RNA sequencing, to reveal the fates of hundreds of thousands of clones exposed to anti-cancer therapies. We show that resistant clones emerging from single-cell-derived cancer cells adopt molecularly, morphologically and functionally distinct resistant types. These resistant types are largely predetermined by molecular differences between cells before drug addition and not by extrinsic factors. Changes in the dose and type of drug can switch the resistant type of an initial cell, resulting in the generation and elimination of certain resistant types. Samples from patients show evidence for the existence of these resistant types in a clinical context. We observed diversity in resistant types across several single-cell-derived cancer cell lines and cell types treated with a variety of drugs. The diversity of resistant types as a result of the variability in intrinsic cell states may be a generic feature of responses to external cues.

Abstract Even amongst genetically identical cancer cells, therapy resistance often only emerges from a very small subset of those cells. Much effort has gone into uncovering the molecular differences in rare individual cells in the initial population that may allow certain cells to become therapy resistant; however, comparatively little is known about variability in the resistant outcomes themselves. Here, we develop and apply FateMap, a framework that combines DNA barcoding with single-cell RNA sequencing to reveal the fates of hundreds of thousands of clones exposed to anti-cancer therapies. We show that resistant clones emerging from single-cell-derived cancer cells adopt molecularly, morphologically, and functionally distinct fate types. These different resistant types are largely predetermined by molecular differences between cells before addition of drug and not by extrinsic cell-specific microenvironmental factors. Changes in dose and kind of drug can, however, switch the resistant fate type of an initial cell, even resulting in the generation and elimination of certain fate types. Diversity in resistant fates was observed across several single-cell-derived cancer cell lines and types treated with a variety of drugs. Cell fate diversity as a result of variability in intrinsic cell states may be a generic feature of response to external cues.

Abstract Metastasis occurs when tumor cells leave the primary tumor site and disseminate to distal organs. Even though most cells remain in the primary tumor, the circumstances by which a small fraction of them disseminate remain unclear. Here, we show that a rare, highly invasive subpopulation of melanoma cells can be detected within clonal cell lines due to non-genetic fluctuations in gene expression. The highly invasive phenotype was intrinsic to the cells, independent of their environment, and was marked by transiently high levels of SEMA3C expression, as revealed by RNA-sequencing analysis. Furthermore, the invasive subpopulation drove the bulk dissemination of tumor cells to distal locations in a mouse model of melanoma. The transcription factor NKX2.2 regulated the proportion of invasive cells in the melanoma 1205Lu cell line. Furthermore, an overall tradeoff between proliferation and invasion in single cells was observed. Our results suggest that phenotypes like metastasis may arise from intrinsic differences stemming from non-genetic fluctuations between single cells.

Abstract RNA labeling in situ has enormous potential to visualize transcripts and quantify their levels in single cells, but it remains challenging to produce high levels of signal while also enabling multiplexed detection of multiple RNA species simultaneously. Here, we describe clampFISH 2.0, a method that uses an inverted padlock design to efficiently detect and exponentially amplify signals from many RNA species at once, while also reducing time and cost compared to the prior clampFISH method. We leverage the increased throughput afforded by multiplexed signal amplification and sequential detection by demonstrating the ability to detect 10 different RNA species in over 1 million cells. We also show that clampFISH 2.0 works in tissue sections. We expect the advantages offered by clampFISH 2.0 will enable many applications in spatial transcriptomics.