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.

Abstract Despite important advances in the treatment of breast cancer, the 5-year survival rate for patients with distant metastasis remains less than 30%. Metastasis is a complex, multi-step process beginning with local invasion and ending with the outgrowth of systemically disseminated cells into actively proliferating metastases that ultimately cause the destruction of vital organs. It is this last step that limits patient survival and, at the same time, remains the least understood mechanistically. Here, we focus on understanding determinants of metastatic outgrowth using metastatic effusion biopsies from stage IV breast cancer patients. By modelling metastatic outgrowth through xenograft transplantation, we show that tumour initiation potential of patient-derived metastatic breast cancer cells across breast cancer subtypes is strongly linked to high levels of EPCAM expression. Breast cancer cells with high EPCAM levels are highly plastic and, upon induction of epithelial-mesenchymal transition (EMT), readily adopt mesenchymal traits while maintaining epithelial identity. In contrast, low EPCAM levels are caused by the irreversible reprogramming to a mesenchymal state with concomitant suppression of metastatic outgrowth. The ability of breast cancer cells to retain epithelial traits is tied to a global epigenetic program that limits the actions of EMT-transcription factor ZEB1, a suppressor of epithelial genes. Our results provide direct evidence that maintenance of epithelial identity is required for metastatic outgrowth while concomitant expression of mesenchymal markers enables plasticity. In contrast, loss of epithelial traits is characteristic of an irreversible mesenchymal reprogramming associated to a deficiency for metastatic outgrowth. Collectively, our data provide a framework for the intricate intercalation of mesenchymal and epithelial traits in metastatic growth.

Abstract Understanding the operational molecular, and metabolic networks that determine the balance between pro- and anti-ferroptotic regulatory pathways could unravel unique vulnerabilities to be exploited for cancer therapy. Here we identify the selenoprotein P (SELENOP) receptor, LRP8, as a key determinant protecting MYCN-amplified neuroblastoma cells from ferroptosis in vitro and in orthotopic neuroblastoma mouse models. Specifically, the exquisite dependency on LRP8-mediated selenocysteine import is caused by the failure of MYCN-amplified cells to efficiently utilize alternative forms of selenium/selenocysteine based uptake necessary for selenoprotein biosynthesis. Increased activity of one of such transporters, SLC7A11, in MYCN-amplified cells leads to cysteine overload, progressive mitochondrial decline and impaired proliferation. These data reveal in LRP8 a targetable, and specific vulnerability of MYCN-amplified neuroblastoma cells and disclose a yet-unaccounted mechanism for selective ferroptosis induction that has the potential to become an important therapeutic entry point for MYCN-amplified neuroblastoma. Statement of significance Given the largely unsuccessful repurposing of adult oncology drugs for the treatment of neuroblastoma, our discoveries pave the way for novel ferroptosis based strategies for this entity. Specifically, targeting of LRP8 may offer novel therapeutic and safer opportunities for a number of pediatric malignancies and MYCN driven cancers.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) displays a high degree of spatial subtype heterogeneity. This intratumoral co-existence of classical and basal-like programs is evident in multi-scale transcriptomic and spatial analyses of resected, advanced-stage and chemotherapy-treated specimens and reciprocally linked to a diverse stromal immune microenvironment as well as worse clinical outcome. However, the underlying mechanisms of intratumoral subtype heterogeneity remain largely unclear. Here, by combining preclinical models, multi-center clinical, bulk and compartment-specific transcriptomic, proteomic, and bioimaging data from human specimens, we identified an interplay between neoplastic intrinsic AP1 transcription factor dichotomy and extrinsic CD68 + macrophages as a driver of intratumoral subtype co-existence along with an immunosuppressive tumor microenvironment with T cell exclusion. Our ATAC-, ChIP-, and RNA-seq analyses revealed that JUNB/AP1- and HDAC-mediated epigenetic programs repress pro-inflammatory immune signatures in tumor cells, antagonizing cJUN/AP1 signaling to favor a therapy-responsive classical neoplastic identity. Through the tumor microenvironment, this dichotomous regulation was further amplified via regional macrophage populations. Moreover, CD68 + /TNF-α + cells associated with a reactive phenotype and reduced CD8 + T cell infiltration in human PDAC tumors. Consequently, combined anti-TNF-α immunotherapy and chemotherapy resulted in reduced macrophage counts and promoted CD3 + /CD8 + T cell infiltration in basal-like PDAC, leading to improved survival in preclinical murine models. We conclude that tumor cell intrinsic epigenetic programs, together with extrinsic microenvironmental cues, facilitate intratumoral subtype heterogeneity and disease progression.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) frequently metastasizes into the peritoneum, which contributes to poor prognosis. Metastatic spreading is promoted by cancer cell plasticity, yet its regulation by the microenvironment is incompletely understood. Here we show that the presence of hyaluronan and proteoglycan link protein-1 (HAPLN1) in the extracellular matrix enhances tumor cell plasticity and PDAC metastasis. Bioinformatic analysis showed that HAPLN1 expression is enriched in the basal PDAC subtype and associated with worse overall patient survival. In a mouse model for peritoneal carcinomatosis, HAPLN1-induced immunomodulation favored a more permissive microenvironment, which accelerated the peritoneal spread of tumor cells. Mechanistically, HAPLN1, via hyaluronic acid synthesis and signaling, promoted adoption of a highly plastic cancer cell state, facilitating EMT, stemness, invasion and immunomodulation in a paracrine manner. Extracellular HAPLN1 modifies cancer cells as well as fibroblasts, rendering them immunomodulatory. We identify HAPLN1 as a prognostic marker and a driver for peritoneal metastasis in PDAC.

The complexity of the lung microenvironment together with changes in cellular composition during disease progression make it exceptionally hard to understand the molecular mechanisms leading to the development of chronic lung diseases. Although recent advances in cell type resolved and single-cell sequencing approaches hold great promise for studying complex diseases, their implementation greatly relies on local access to fresh tissue, as traditional methods to process and store tissue do not allow viable cell isolation. To overcome these hurdles, we developed a novel, versatile workflow that allows long-term storage of human lung tissue with high cell viability, permits thorough sample quality check before cell isolation, and is compatible with next generation sequencing-based profiling, including single-cell approaches. We demonstrate that cryopreservation is suitable for isolation of multiple cell types from different lung locations and is applicable to both healthy and diseased tissue, including COPD and tumor samples. Basal cells isolated from cryopreserved airways retain the ability to differentiate, indicating that cellular identity is not altered by cryopreservation. Importantly, using RNA sequencing (RNA-seq) and Illumina EPIC Array, we show that genome-wide gene expression and DNA methylation signatures are preserved upon cryopreservation, emphasizing the suitability of our workflow for -omics profiling of human lung cells. In addition, we obtained high-quality single-cell RNA sequencing data of cells isolated from cryopreserved human lung, demonstrating that cryopreservation empowers single-cell approaches. Overall, thanks to its simplicity, our cryopreservation workflow is well-suited for prospective tissue collection by academic collaborators and biobanks, opening worldwide access to human tissue.

Chronic lung diseases, including chronic obstructive pulmonary disease (COPD), affect over 500 million people and are a leading cause of death worldwide. A common feature of both chronic and acute lung diseases is altered respiratory barrier integrity and impaired lung regeneration. We hypothesized that alveolar type 2 (AT2) cells, as alveolar epithelial progenitors, will carry molecular alterations that compromise alveolar regeneration in COPD. Sorted AT2 cells from ex-smokers with and without COPD at different disease stages were subjected to RNA sequencing and whole-genome bisulfite sequencing to generate unbiased transcriptome and DNA methylation maps of alveolar progenitors in the lung. Our analysis revealed genome-wide epigenetic changes in AT2 cells during COPD that were associated with global gene expression changes. Integrative data analysis uncovered a strong anti-correlation between gene expression and promoter methylation, suggesting that dysregulation of COPD-associated pathways in AT2 cells may be regulated by DNA methylation. Interferon (IFN) signaling was the top-upregulated pathway associated with the concomitant loss of promoter DNA methylation. Epigenetic regulation of the IFN pathway was validated in both global and targeted DNA demethylation assays in A549 cells. Notably, targeted DNA demethylation of IRF9 triggered upregulation of IFN signaling, mimicking the effects observed in COPD AT2 cells in the profiling data. Our findings suggest that COPD-triggered epigenetic alterations in AT2 cells may impair internal regeneration programs in human lung parenchyma.

HER3 is highly expressed in luminal breast cancer subtypes. Its activation by NRG1 promotes activation of AKT and ERK1/2, contributing to tumor progression and therapy resistance. HER3-targeting agents that block this activation, are currently under phase 1/2 clinical studies, and although they have shown favorable tolerability, their activity as a single agent has proven to be limited. Here we show that phosphorylation and activation of HER3 in luminal breast cancer cells occurs in a paracrine manner and is mediated by NRG1 expressed by cancer-associated fibroblasts (CAFs). Moreover, we uncover an autocrine role of NRG1 in CAFs. This occurs independently of HER3 and results in the induction of a strong migratory and pro-fibrotic phenotype, describing a subset of CAFs with elevated expression of NRG1 and an associated transcriptomic profile that determines their functional properties. Finally, we identified Hyaluronan Synthase 2 (HAS2), a targetable molecule strongly correlated with NRG1, as an attractive player supporting NRG1 - autocrine signaling in CAFs.