Significance Increasing evidence suggests that extracellular vesicles (EVs) can transfer genetic material to recipient cells. However, the mechanism and role of this phenomenon are largely unknown. Here we have made a remarkable discovery: EVs can harbor the full mitochondrial genome. These extracellular vesicles can in turn transfer their mtDNA to cells with impaired metabolism, leading to restoration of metabolic activity. We determined that hormonal therapy induces oxidative phosphorylation-deficient breast cancer cells, which can be rescued via the transfer of mtDNA-laden extracellular vesicles. Horizontal transfer of mtDNA occurred in cancer stem-like cells and was associated with increased self-renewal potential of these cells, leading to resistance to hormonal therapy. We propose that mtDNA transfer occurs in human cancer via EVs.

ABSTRACT Focal gene amplifications are among the most common cancer-associated mutations, but their evolution and contribution to tumorigenesis have proven challenging to recapitulate in primary cells and model organisms. Here we describe a general approach to engineer large (>1 Mbp) focal amplifications mediated by extrachromosomal circular DNAs (ecDNAs, also known as “double minutes”) in a spatiotemporally controlled manner in cancer cell lines and in primary cells derived from genetically engineered mice. With this strategy, ecDNA formation can be coupled with expression of fluorescent reporters or other selectable markers to enable the identification and tracking of ecDNA-containing cells. We demonstrate the feasibility of this approach by engineering MDM2-containing ecDNAs in near-diploid human cells, showing that GFP expression can be used to track ecDNA dynamics under physiological conditions or in the presence of specific selective pressures. We also apply this approach to generate mice harboring inducible Myc - and Mdm2 -containing ecDNAs analogous to those spontaneously occurring in human cancers. We show that the engineered ecDNAs rapidly accumulate in primary cells derived from these animals, promoting proliferation, immortalization, and transformation.

The identification of miRNA targets by Ago2 crosslinking-immunoprecipitation (CLIP) methods has provided major insights into the biology of this important class of non-coding RNAs. However, these methods are technically challenging and not easily translated to an in vivo setting. To overcome these limitations and to facilitate the investigation of miRNA functions in mice, we have developed a method (HEAP: for Halo-Enhanced Ago2 Pulldown) to map miRNA-mRNA binding sites. This method is based on a novel genetically engineered mouse harboring a conditional, Cre-regulated, Halo-Ago2 allele expressed from the endogenous Ago2 locus. By using a resin conjugated to the HaloTag ligand, Ago2-miRNA-mRNA complexes can be efficiently purified from cells and tissues expressing the endogenous Halo-Ago2 allele. We demonstrate the reproducibility and sensitivity of this method in mouse embryonic stem cells, in developing embryos, in adult tissues and in autochthonous mouse models of human brain and lung cancers. The tools and the datasets we have generated will serve as a valuable resource to the scientific community and will facilitate the characterization of miRNA functions under physiological and pathological conditions.

Although virtually all gene networks are predicted to be controlled by miRNAs, the contribution of this important layer of gene regulation to tissue homeostasis in adult animals remains unclear. Gain and loss of function experiments have provided key insights into the specific function of individual miRNAs, but effective genetic tools to study the functional consequences of global inhibition of miRNA activity in vivo are lacking. Here we report the generation and characterization of a genetically engineered mouse strain in which miRNA-mediated gene repression can be reversibly inhibited without affecting miRNA biogenesis or abundance. We demonstrate the usefulness of this strategy by investigating the consequences of acute inhibition of miRNA function in adult animals. We find that different tissues and organs respond differently to global loss of miRNA function. While miRNA-mediated gene repression is essential for the homeostasis of the heart and the skeletal muscle, it is largely dispensable in the majority of other organs. Even in tissues where it is not required for homeostasis, such as the intestine and hematopoietic system, miRNA activity can become essential during regeneration following acute injury. These data support a model where many metazoan tissues primarily rely on miRNA function to respond to potentially pathogenic events.

ABSTRACT Estrogen receptor alpha (ERα) drives mammary gland development and breast cancer (BC) growth through an evolutionarily conserved linkage of DNA binding and hormone activation functions. Therapeutic targeting of the hormone binding pocket is a widely utilized and successful strategy for breast cancer prevention and treatment. However, resistance to this endocrine therapy is frequently encountered and may occur through bypass or reactivation of ER-regulated transcriptional programs. We now identify the induction of a novel ERα isoform, ERα-LBD, that is encoded by an alternative ESR1 transcript and lacks the activation function and DNA binding domains. Despite lacking the transcriptional activity, ERα-LBD is found to promote breast cancer growth and resistance to the ERα antagonist fulvestrant. ERα-LBD is predominantly localized to the cytoplasm and mitochondria of BC cells and leads to enhanced glycolysis, respiration and stem-like features. Intriguingly, ERα-LBD expression and function does not appear to be restricted to cancers that express full length ERα but also promotes growth of triple negative breast cancers and ERα-LBD transcript (ESR1-LBD) is also present in BC samples from both ERα(+) and ERα(−) human tumors. These findings point to ERα-LBD as a potential mediator of breast cancer progression and therapy resistance. SIGNIFICANCE STATEMENT Endocrine resistant and metastatic breast cancer (BC) is a clinically significant problem. Our study of fulvestrant resistant cancer cells led to the discovery of a novel ERα isoform which we call ERα-LBD. Encoded by a truncated transcript variant (ESR1-LBD) and lacking the N-terminal domains (activation of transcription and DNA binding), ERα-LBD displays a unique role in BC tumorigenesis and progression by mechanisms that may involve metabolic and cell growth advantages, stemness and therapy resistance. Importantly, ESR1-LBD is preferentially expressed in human breast tumor tissues and may be used as prognostic marker in BC.