The transactivation of TCF target genes induced by Wnt pathway mutations constitutes the primary transforming event in colorectal cancer (CRC). We show that disruption of beta-catenin/TCF-4 activity in CRC cells induces a rapid G1 arrest and blocks a genetic program that is physiologically active in the proliferative compartment of colon crypts. Coincidently, an intestinal differentiation program is induced. The TCF-4 target gene c-MYC plays a central role in this switch by direct repression of the p21(CIP1/WAF1) promoter. Following disruption of beta-catenin/TCF-4 activity, the decreased expression of c-MYC releases p21(CIP1/WAF1) transcription, which in turn mediates G1 arrest and differentiation. Thus, the beta-catenin/TCF-4 complex constitutes the master switch that controls proliferation versus differentiation in healthy and malignant intestinal epithelial cells.

A combination of TGFβ inhibition and checkpoint-inhibition therapy provokes a potent cytotoxic response against metastatic tumours derived from colorectal cancers in mice. Some types of colon tumour are considered immunologically cold owing to their limited response to immunotherapy. Here, the authors model metastatic colorectal tumours using compound genetic mouse models and organoid transplantation and find that their immunogenicity is at least partly regulated by TGFβ signalling in the tumour microenvironment. Stromal-derived TGFβ seems to regulate T-cell differentiation and exclude immune infiltration from tumours. Inhibition of TGFβ can effectively reduce the growth of metastatic colorectal cancer, and synergizes with anti-PD1 blockade, suggesting potential combination strategies for more potent immunotherapy for colorectal cancer. Most patients with colorectal cancer die as a result of the disease spreading to other organs. However, no prevalent mutations have been associated with metastatic colorectal cancers1,2. Instead, particular features of the tumour microenvironment, such as lack of T-cell infiltration3, low type 1 T-helper cell (TH1) activity and reduced immune cytotoxicity2 or increased TGFβ levels4 predict adverse outcomes in patients with colorectal cancer. Here we analyse the interplay between genetic alterations and the tumour microenvironment by crossing mice bearing conditional alleles of four main colorectal cancer mutations in intestinal stem cells. Quadruple-mutant mice developed metastatic intestinal tumours that display key hallmarks of human microsatellite-stable colorectal cancers, including low mutational burden5, T-cell exclusion3 and TGFβ-activated stroma4,6,7. Inhibition of the PD-1–PD-L1 immune checkpoint provoked a limited response in this model system. By contrast, inhibition of TGFβ unleashed a potent and enduring cytotoxic T-cell response against tumour cells that prevented metastasis. In mice with progressive liver metastatic disease, blockade of TGFβ signalling rendered tumours susceptible to anti-PD-1–PD-L1 therapy. Our data show that increased TGFβ in the tumour microenvironment represents a primary mechanism of immune evasion that promotes T-cell exclusion and blocks acquisition of the TH1-effector phenotype. Immunotherapies directed against TGFβ signalling may therefore have broad applications in treating patients with advanced colorectal cancer.

In the small intestine, the progeny of stem cells migrate in precise patterns. Absorptive, enteroendocrine, and goblet cells migrate toward the villus while Paneth cells occupy the bottom of the crypts. We show here that β-catenin and TCF inversely control the expression of the EphB2/EphB3 receptors and their ligand ephrin-B1 in colorectal cancer and along the crypt-villus axis. Disruption of EphB2 and EphB3 genes reveals that their gene products restrict cell intermingling and allocate cell populations within the intestinal epithelium. In EphB2/EphB3 null mice, the proliferative and differentiated populations intermingle. In adult EphB3−/− mice, Paneth cells do not follow their downward migratory path, but scatter along crypt and villus. We conclude that in the intestinal epithelium β-catenin and TCF couple proliferation and differentiation to the sorting of cell populations through the EphB/ephrin-B system.

A large proportion of colorectal cancers (CRCs) display mutational inactivation of the TGF-β pathway, yet, paradoxically, they are characterized by elevated TGF-β production. Here, we unveil a prometastatic program induced by TGF-β in the microenvironment that associates with a high risk of CRC relapse upon treatment. The activity of TGF-β on stromal cells increases the efficiency of organ colonization by CRC cells, whereas mice treated with a pharmacological inhibitor of TGFBR1 are resilient to metastasis formation. Secretion of IL11 by TGF-β-stimulated cancer-associated fibroblasts (CAFs) triggers GP130/STAT3 signaling in tumor cells. This crosstalk confers a survival advantage to metastatic cells. The dependency on the TGF-β stromal program for metastasis initiation could be exploited to improve the diagnosis and treatment of CRC.

Recent molecular classifications of colorectal cancer (CRC) based on global gene expression profiles have defined subtypes displaying resistance to therapy and poor prognosis. Upon evaluation of these classification systems, we discovered that their predictive power arises from genes expressed by stromal cells rather than epithelial tumor cells. Bioinformatic and immunohistochemical analyses identify stromal markers that associate robustly with disease relapse across the various classifications. Functional studies indicate that cancer-associated fibroblasts (CAFs) increase the frequency of tumor-initiating cells, an effect that is dramatically enhanced by transforming growth factor (TGF)-β signaling. Likewise, we find that all poor-prognosis CRC subtypes share a gene program induced by TGF-β in tumor stromal cells. Using patient-derived tumor organoids and xenografts, we show that the use of TGF-β signaling inhibitors to block the cross-talk between cancer cells and the microenvironment halts disease progression.

Summary

 A frequent complication in colorectal cancer (CRC) is regeneration of the tumor after therapy. Here, we report that a gene signature specific for adult intestinal stem cells (ISCs) predicts disease relapse in CRC patients. ISCs are marked by high expression of the EphB2 receptor, which becomes gradually silenced as cells differentiate. Using EphB2 and the ISC marker Lgr5, we have FACS-purified and profiled mouse ISCs, crypt proliferative progenitors, and late transient amplifying cells to define a gene program specific for normal ISCs. Furthermore, we discovered that ISC-specific genes identify a stem-like cell population positioned at the bottom of tumor structures reminiscent of crypts. EphB2 sorted ISC-like tumor cells display robust tumor-initiating capacity in immunodeficient mice as well as long-term self-renewal potential. Taken together, our data suggest that the ISC program defines a cancer stem cell niche within colorectal tumors and plays a central role in CRC relapse.

Although Apc is well characterized as a tumor-suppressor gene in the intestine, the precise mechanism of this suppression remains to be defined. Using a novel inducible Ahcre transgenic line in conjunction with a loxP-flanked Apc allele we, show that loss of Apc acutely activates Wnt signaling through the nuclear accumulation of β-catenin. Coincidentally, it perturbs differentiation, migration, proliferation, and apoptosis, such that Apc-deficient cells maintain a “crypt progenitor-like” phenotype. Critically, for the first time we confirm a series of Wnt target molecules in an in vivo setting and also identify a series of new candidate targets within the same setting.

The LKB1 gene encodes a serine/threonine kinase that is mutated in the Peutz-Jeghers cancer syndrome. LKB1 is homologous to the Par-4 polarity genes in C. elegans and D. melanogaster. We have previously reported the identification and characterization of an LKB1-specific adaptor protein, STRAD, which activates LKB1 and translocates it from nucleus to cytoplasm. We have now constructed intestinal epithelial cell lines in which inducible STRAD activates LKB1. Upon LKB1 activation, single cells rapidly remodel their actin cytoskeleton to form an apical brush border. The junctional proteins ZO-1 and p120 redistribute in a dotted circle peripheral to the brush border, in the absence of cell-cell contacts. Apical and basolateral markers sort to their respective membrane domains. We conclude that LKB1 can induce complete polarity in intestinal epithelial cells. In contrast to current thinking on polarization of simple epithelia, these cells can fully polarize in the absence of junctional cell-cell contacts.