Increased mitochondrial function may render some cancers vulnerable to mitochondrial inhibitors. Since mitochondrial function is regulated partly by mitochondrial DNA copy number (mtDNAcn), accurate measurements of mtDNAcn could help reveal which cancers are driven by increased mitochondrial function and may be candidates for mitochondrial inhibition. However, prior studies have employed bulk macrodissections that fail to account for cell type-specific or tumor cell heterogeneity in mtDNAcn. These studies have often produced unclear results, particularly in prostate cancer. Herein, we developed a multiplex in situ method to spatially quantify cell type specific mtDNAcn. We show that mtDNAcn is increased in luminal cells of high-grade prostatic intraepithelial neoplasia (HGPIN), is increased in prostatic adenocarcinomas (PCa), and is further elevated in metastatic castration-resistant prostate cancer. Increased PCa mtDNAcn was validated by two orthogonal methods and is accompanied by increases in mtRNAs and enzymatic activity. Mechanistically, MYC inhibition in prostate cancer cells decreases mtDNA replication and expression of several mtDNA replication genes, and MYC activation in the mouse prostate leads to increased mtDNA levels in the neoplastic prostate cells. Our in situ approach also revealed elevated mtDNAcn in precancerous lesions of the pancreas and colon/rectum, demonstrating generalization across cancer types using clinical tissue samples.

Summary Aneuploidy, a near ubiquitous genetic feature of tumors, is a context-dependent driver of cancer evolution; however, the mechanistic basis of this role remains unclear. Here, by inducing heterogeneous aneuploidy in non-transformed human colon organoids (colonoids), we investigate how the effects of aneuploidy on cell growth and differentiation may promote malignant transformation. Single-cell RNA sequencing reveals that the gene expression signature across over 100 unique aneuploid karyotypes is enriched with p53 responsive genes. The primary driver of p53 activation is karyotype complexity. Complex aneuploid cells with multiple unbalanced chromosomes activate p53 and undergo G1 cell-cycle arrest, independent of DNA damage and without evidence of senescence. By contrast, simple aneuploid cells with 1-3 chromosomes gained or lost continue to proliferate, demonstrated by single cell tracking in colonoids. Notably, simple aneuploid cells exhibit impaired differentiation when niche factors are withdrawn. These findings suggest that while complex aneuploid cells are eliminated from the normal epithelium due to p53 activation, simple aneuploid cells can escape this checkpoint and may contribute to niche factor-independent growth of cancer-initiating cells.

Inflammation-associated fibroblasts (IAFs) are associated with the progression and drug resistance of chronic inflammatory diseases such as inflammatory bowel disease (IBD), but their direct impact on epithelial function and architecture is unknown. In this study, we developed an in vitro model whereby human colon fibroblasts are induced to become IAFs by specific cytokines and recapitulate key features of IAFs in vivo. When co-cultured with patient-derived colon organoids (colonoids), IAFs induced rapid colonoid swelling and barrier disruption due to swelling and rupture of individual epithelial cells. Epithelial cells co-cultured with IAFs also exhibit increased DNA damage, mitotic errors, and proliferation arrest. These IAF-induced epithelial defects are mediated through a paracrine pathway involving prostaglandin E2 (PGE2) and the PGE2 receptor EP4, leading to PKA-dependent activation of the CFTR chloride channel. Importantly, EP4-specific chemical inhibitors effectively prevented colonoid swelling and restored normal proliferation and genome stability of IAF-exposed epithelial cells. These findings reveal a mechanism by which IAFs could promote and perpetuate IBD and suggest a potential treatment to mitigate inflammation-associated epithelial injury.

Context.— In this era of health care challenges, efficient resource use is crucial. Patients with inflammatory bowel disease (IBD) may undergo surgery owing to treatment-refractory disease or strictures. Unlike colorectal cancer resections, there are no guidelines for lymph node retrieval in nonmalignant IBD resections. Objective.— To assess the usefulness and cost-effectiveness of extensive lymph node examination in nonmalignant IBD resections. Design.— A retrospective analysis of 354 cases from 2011 to 2018 was conducted. Resections for suspected malignancy or lesions grossly suggestive of carcinoma were excluded. Patient data, resection type, lymph node count, and follow-up information were collected. Results.— Results showed 51% (180) of cases had 12 or more examined lymph nodes. Only 1 case (0.3%) revealed microscopic invasive carcinoma associated with stricture without metastasis to 26 examined lymph nodes. No metastatic disease was found among the 4972 evaluated lymph nodes. Estimated total savings were at least $19 812, with approximately 10.4 minutes saved on microscopic evaluation. During a mean 5.7-year follow-up, no patients developed metastatic disease from an intestinal primary tumor. Among the 20 deceased patients, cause of death was available for 14 patients (70%), of whom 11 (55%) died of nonneoplastic causes and 3 (15%) of nonintestinal malignancies. Conclusions.— While lymph node assessment is crucial in IBD-associated colorectal carcinoma, a colorectal cancer protocol–type lymph node search is unnecessary without clinical or gross pathologic suspicion. A conservative approach to lymph node sampling optimizes resources without compromising patient care.

Epithelial metaplasia is a common adaptation to chronic inflammatory processes and can be associated with increased risk of dysplasia and cancer. The distal colon of patients with inflammatory bowel disease (IBD) commonly shows crypt architectural distortion and Paneth cell metaplasia (PCM), and IBD patients also carry increased risk of colitis-associated dysplasia and cancer (CAC). Loss of SATB2 expression (Special AT-rich binding 2 protein, a colon-restricted chromatin remodeler) has recently been shown to distinguish colitis-associated dysplasia and CAC from sporadic disease. Here we report non-diffuse heterogeneous patterns of SATB2 loss across non-dysplastic distal colon biopsies from IBD patients (n=20). This cohort was specifically curated to include biopsies with well-developed histologic features of villiform growth and PCM. Notably, CDX2 was strongly expressed and P53 showed a wild-type immunolabeling pattern across our non-dysplastic cohort, regardless of SATB2 immunolabeling pattern. Our findings fit with recent murine studies in which colon-specific Satb2 deletion resulted in histologic conversion of colonic mucosa to small intestinal-like mucosa, including emergence of villi and Paneth cells. Taken together, we show that SATB2 loss is associated with a pre-neoplastic metaplastic response to chronic injury in human IBD and chronic colitis, reframing PCM more broadly as small intestinal metaplasia. We propose that inflammation-associated SATB2 loss mediates a remodeled chromatin landscape permissive for dysplasia and CAC.

ABSTRACT Although much is known about the gene mutations required to drive colorectal cancer (CRC) initiation, the tissue-specific selective microenvironments in which neoplasia arises remains less characterized. Here, we determined whether modulation of intestinal stem cell niche morphogens alone can exert a neoplasia-relevant selective pressure on normal colonic epithelium. Using adult stem cell-derived murine colonic epithelial organoids (colonoids), we employed a strategy of sustained withdrawal of EGF and EGFR inhibition to select for and expand survivors. EGFR-signaling-independent (iEGFR) colonoids emerged over rounds of selection and expansion. Colonoids derived from a mouse model of chronic mucosal injury showed an enhanced ability to adapt to EGFR inhibition. Whole-exome and transcriptomic analyses of iEGFR colonoids demonstrated acquisition of deleterious mutations and altered expression of genes implicated in EGF signaling, pyroptosis, and CRC. iEGFR colonoids acquired dysplasia-associated cytomorphologic changes, an increased proliferative rate, and the ability to survive independently of other required niche factors. These changes were accompanied by emergence of aneuploidy and chromosomal instability; further, the observed mitotic segregation errors were significantly associated with loss of interkinetic nuclear migration, a fundamental and dynamic process underlying intestinal epithelial homeostasis. This study provides key evidence that chromosomal instability and other phenotypes associated with neoplasia can be induced ex vivo via adaptation to EGF withdrawal in normal and stably euploid colonic epithelium, without introducing cancer-associated driver mutations. In addition, prior mucosal injury accelerates this evolutionary process. Key definitions Colonoids : adult stem cell-derived colonic epithelial organoids iEGFR : in vitro selective conditions devoid of EGF (epidermal growth factor) and including an EGFR (EGF receptor) inhibitor 1 iEGFR colonoids : colonoids tolerant to iEGFR culture conditions with growth and survival similar to unselected passage-matched controls INM : Interkinetic nuclear migration