Ever since Stephen Paget’s 1889 hypothesis, metastatic organotropism has remained one of cancer’s greatest mysteries. Here we demonstrate that exosomes from mouse and human lung-, liver- and brain-tropic tumour cells fuse preferentially with resident cells at their predicted destination, namely lung fibroblasts and epithelial cells, liver Kupffer cells and brain endothelial cells. We show that tumour-derived exosomes uptaken by organ-specific cells prepare the pre-metastatic niche. Treatment with exosomes from lung-tropic models redirected the metastasis of bone-tropic tumour cells. Exosome proteomics revealed distinct integrin expression patterns, in which the exosomal integrins α6β4 and α6β1 were associated with lung metastasis, while exosomal integrin αvβ5 was linked to liver metastasis. Targeting the integrins α6β4 and αvβ5 decreased exosome uptake, as well as lung and liver metastasis, respectively. We demonstrate that exosome integrin uptake by resident cells activates Src phosphorylation and pro-inflammatory S100 gene expression. Finally, our clinical data indicate that exosomal integrins could be used to predict organ-specific metastasis. Exosomes originating from lung-, liver- and brain-tropic tumour cells are preferentially incorporated by specific resident cells of the target organs, thus preparing the site for metastasis; the expression of distinct combinations of exosomal integrin proteins determines the exosomal targeting to each of the three organs, and blocking these integrins reduces organotropic exosome uptake by the target organs, thereby reducing the likelihood of organotropic metastasis. How do cancer cells choose the next organ to target? David Lyden and colleagues show that extracellular vesicles (exosomes) that originate from tumour cells can preferentially fuse with specific resident cells of the target organs — lung, liver and brain — to prepare the site of metastasis. At a molecular level, expression of distinct combinations of integrin proteins on exosomes seems to mediate their targeting to one of the three organs. By blocking these integrins, the authors could reduce the uptake of the associated exosomes by the target organs and so the likelihood of metastasis. Moreover, the exosomal integrins could be used to predict organ-specific metastasis in cancer patients.

Oncogenic alterations to DNA are not transforming in all cellular contexts1,2. This may be due to pre-existing transcriptional programmes in the cell of origin. Here we define anatomic position as a major determinant of why cells respond to specific oncogenes. Cutaneous melanoma arises throughout the body, whereas the acral subtype arises on the palms of the hands, soles of the feet or under the nails3. We sequenced the DNA of cutaneous and acral melanomas from a large cohort of human patients and found a specific enrichment for BRAF mutations in cutaneous melanoma and enrichment for CRKL amplifications in acral melanoma. We modelled these changes in transgenic zebrafish models and found that CRKL-driven tumours formed predominantly in the fins of the fish. The fins are the evolutionary precursors to tetrapod limbs, indicating that melanocytes in these acral locations may be uniquely susceptible to CRKL. RNA profiling of these fin and limb melanocytes, when compared with body melanocytes, revealed a positional identity gene programme typified by posterior HOX13 genes. This positional gene programme synergized with CRKL to amplify insulin-like growth factor (IGF) signalling and drive tumours at acral sites. Abrogation of this CRKL-driven programme eliminated the anatomic specificity of acral melanoma. These data suggest that the anatomic position of the cell of origin endows it with a unique transcriptional state that makes it susceptible to only certain oncogenic insults. In a zebrafish model of human cutaneous and acral melanomas, CRKL amplification causes tumours to favour a fin location, indicating that tumour location is determined by both the driver oncogenes and the pre-existing positional identity gene program.

SUMMARY During tumor progression, cancer cells come into contact with novel non-tumor cell types, but it is unclear how tumors adapt to these new environments. Here, we integrate spatially resolved transcriptomics, single-cell RNA-seq, and single-nucleus RNA-seq to characterize tumor-microenvironment interactions at the tumor boundary. Using a zebrafish model of melanoma, we identify a distinct “interface” cell state where the tumor contacts neighboring tissues. This interface is composed of specialized tumor and microenvironment cells that upregulate a common set of cilia genes, and cilia proteins are enriched only where the tumor contacts the microenvironment. Cilia gene expression is regulated by ETS-family transcription factors, which normally act to suppress cilia genes outside of the interface. An ETS-driven interface is conserved in human patient samples, suggesting it is a conserved feature of human melanoma. Our results demonstrate the power of spatially resolved transcriptomics in uncovering mechanisms that allow tumors to adapt to new environments.

Summary Oncogenic alterations to DNA are not transforming in all cellular contexts 1, 2 . This may be due to pre-existing transcriptional programs in the cell of origin. Here, we define anatomic position as a major determinant of why cells respond to specific oncogenes. Cutaneous melanoma arises throughout the body, whereas the acral subtype arises on the palms of the hands, soles of the feet, or under the nails 3 . We sequenced the DNA of cutaneous and acral melanomas from a large cohort of human patients and found a specific enrichment for BRAF mutations in cutaneous melanoma but CRKL amplifications in acral melanoma. We modeled these changes in transgenic zebrafish models and found that CRKL-driven tumors predominantly formed in the fins of the fish. The fins are the evolutionary precursors to tetrapod limbs, indicating that melanocytes in these acral locations may be uniquely susceptible to CRKL. RNA profiling of these fin/limb melanocytes, compared to body melanocytes, revealed a positional identity gene program typified by posterior HOX13 genes. This positional gene program synergized with CRKL to drive tumors at acral sites. Abrogation of this CRKL-driven program eliminated the anatomic specificity of acral melanoma. These data suggest that the anatomic position of the cell of origin endows it with a unique transcriptional state that makes it susceptible to only certain oncogenic insults.

Abstract Oncogenes are only transforming in certain cellular contexts, a phenomenon called oncogenic competence. The mechanisms regulating this competence remain poorly understood. Here, using a combination of a novel human pluripotent stem cell (hPSC)-based cancer model along with zebrafish transgenesis, we demonstrate that the transforming ability of BRAF V600E depends upon the intrinsic transcriptional program present in the cell of origin. Remarkably, in both systems, melanocytes (MC) are largely resistant to BRAF. In contrast, both neural crest (NC) and melanoblast (MB) populations are readily transformed. Molecular profiling reveals that NC/MB cells have markedly higher expression of chromatin modifying enzymes, and we discovered that the chromatin remodeler ATAD2 is required for response to BRAF and tumor initiation. ATAD2 forms a complex with SOX10, allowing for expression of downstream oncogenic programs. These data suggest that oncogenic competence is mediated by developmental regulation of chromatin factors, which then allow for proper response to those oncogenes.

Abstract Lipid droplets are lipid storage organelles found in nearly all cell types from adipocytes to cancer cells. Although increasingly implicated in disease, current methods to study lipid droplets require fixation or static imaging which limits investigation of their rapid in vivo dynamics. To address this, we created a lipid droplet transgenic reporter in whole animals and cell culture by fusing tdTOMATO to Perilipin-2 (PLIN2), a lipid droplet structural protein. Expression of this transgene in transparent casper zebrafish enabled in vivo imaging of adipose depots responsive to nutrient deprivation and high-fat diet. Using this system, we tested novel regulators of lipolysis, revealing an unexpected role for nitric oxide in modulating adipocyte lipid droplets. Similarly, we expressed the PLIN2-tdTOMATO transgene in melanoma cells and found that the nitric oxide pathway also regulated lipid droplets in cancer. This model offers a tractable imaging platform to study lipid droplets across cell types and disease contexts.

Abstract Keratinocytes, the dominant cell type in the melanoma microenvironment during tumor initiation, exhibit diverse effects on melanoma progression. Using a zebrafish model of melanoma and human cell co-cultures, we observed that keratinocytes undergo an Epithelial–Mesenchymal Transition (EMT)-like transformation in the presence of melanoma, reminiscent of their behavior during wound healing. Surprisingly, overexpression of the EMT transcription factor Twist in keratinocytes led to improved overall survival in zebrafish melanoma models, despite no change in tumor initiation rates. This survival benefit was attributed to reduced melanoma invasion, as confirmed by human cell co-culture assays. Single-cell RNA-sequencing revealed a unique melanoma cell cluster in the Twist-overexpressing condition, exhibiting a more differentiated, less invasive phenotype. Further analysis nominated homotypic jam3b-jam3b and pgrn-sort1a interactions between Twist-overexpressing keratinocytes and melanoma cells as potential mediators of the invasive restraint. Our findings suggest that EMT in the tumor microenvironment (TME) may limit melanoma invasion through altered cell-cell interactions.