The role of epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) in metastasis is a longstanding source of debate, largely owing to an inability to monitor transient and reversible EMT phenotypes in vivo. Here we establish an EMT lineage-tracing system to monitor this process in mice, using a mesenchymal-specific Cre-mediated fluorescent marker switch system in spontaneous breast-to-lung metastasis models. We show that within a predominantly epithelial primary tumour, a small proportion of tumour cells undergo EMT. Notably, lung metastases mainly consist of non-EMT tumour cells that maintain their epithelial phenotype. Inhibiting EMT by overexpressing the microRNA miR-200 does not affect lung metastasis development. However, EMT cells significantly contribute to recurrent lung metastasis formation after chemotherapy. These cells survived cyclophosphamide treatment owing to reduced proliferation, apoptotic tolerance and increased expression of chemoresistance-related genes. Overexpression of miR-200 abrogated this resistance. This study suggests the potential of an EMT-targeting strategy, in conjunction with conventional chemotherapies, for breast cancer treatment.

There is growing evidence to suggest that endothelial cells are not simply passive conduits for delivering oxygen and nutrients. During embryogenesis, for instance, they induce organogenesis before the circulation has developed. Experiments in a 70% partial hepatectomy liver regeneration model in mice now reveal a molecular pathway by which endothelial cells can sustain liver regeneration after surgical resection. VEGFR2 activation in a defined subpopulation of liver endothelial cells leads to the upregulation of the endothelial-specific transcription factor Id1, which in turn induces the secretion of Wnt2 and hepatocyte growth factor (HGF), which trigger hepatocyte proliferation. This suggests that vascular niche-derived inductive signals that promote liver regeneration could be utilized to initiate and accelerate liver recovery after these surgical procedures. These authors describe a molecular pathway by which endothelial cells sustain liver regeneration after surgical resection. Activation of vascular endothelial growth factor-A receptor-2 in a defined subpopulation of liver endothelial cells leads to the upregulation of the endothelial-specific transcription factor Id1, which in turn induces Wnt2 and hepatocyte growth factor, which are secreted from the endothelial cells and trigger hepatocyte proliferation. During embryogenesis, endothelial cells induce organogenesis before the development of circulation1,2,3,4. These findings suggest that endothelial cells not only form passive conduits to deliver nutrients and oxygen, but also establish an instructive vascular niche, which through elaboration of paracrine trophogens stimulates organ regeneration, in a manner similar to endothelial-cell-derived angiocrine factors that support haematopoiesis5,6,7. However, the precise mechanism by which tissue-specific subsets of endothelial cells promote organogenesis in adults is unknown. Here we demonstrate that liver sinusoidal endothelial cells (LSECs) constitute a unique population of phenotypically and functionally defined VEGFR3+CD34−VEGFR2+VE-cadherin+FactorVIII+CD45− endothelial cells, which through the release of angiocrine trophogens initiate and sustain liver regeneration induced by 70% partial hepatectomy. After partial hepatectomy, residual liver vasculature remains intact without experiencing hypoxia or structural damage, which allows study of physiological liver regeneration. Using this model, we show that inducible genetic ablation of vascular endothelial growth factor (VEGF)-A receptor-2 (VEGFR2) in the LSECs impairs the initial burst of hepatocyte proliferation (days 1–3 after partial hepatectomy) and subsequent reconstitution of the hepatovascular mass (days 4–8 after partial hepatectomy) by inhibiting upregulation of the endothelial-cell-specific transcription factor Id1. Accordingly, Id1-deficient mice also manifest defects throughout liver regeneration, owing to diminished expression of LSEC-derived angiocrine factors, including hepatocyte growth factor (HGF) and Wnt2. Notably, in in vitro co-cultures, VEGFR2-Id1 activation in LSECs stimulates hepatocyte proliferation. Indeed, intrasplenic transplantation of Id1+/+ or Id1−/− LSECs transduced with Wnt2 and HGF (Id1−/−Wnt2+HGF+ LSECs) re-establishes an inductive vascular niche in the liver sinusoids of the Id1−/− mice, initiating and restoring hepatovascular regeneration. Therefore, in the early phases of physiological liver regeneration, VEGFR2-Id1-mediated inductive angiogenesis in LSECs through release of angiocrine factors Wnt2 and HGF provokes hepatic proliferation. Subsequently, VEGFR2-Id1-dependent proliferative angiogenesis reconstitutes liver mass. Therapeutic co-transplantation of inductive VEGFR2+Id1+Wnt2+HGF+ LSECs with hepatocytes provides an effective strategy to achieve durable liver regeneration.

Angiogenesis-mediated progression of micrometastasis to lethal macrometastasis is the major cause of death in cancer patients. Here, using mouse models of pulmonary metastasis, we identify bone marrow (BM)–derived endothelial progenitor cells (EPCs) as critical regulators of this angiogenic switch. We show that tumors induce expression of the transcription factor Id1 in the EPCs and that suppression of Id1 after metastatic colonization blocked EPC mobilization, caused angiogenesis inhibition, impaired pulmonary macrometastases, and increased survival of tumor-bearing animals. These findings establish the role of EPCs in metastatic progression in preclinical models and suggest that selective targeting of EPCs may merit investigation as a therapy for cancer patients with lung metastases.

Myelosuppression damages the bone marrow (BM) vascular niche, but it is unclear how regeneration of bone marrow vessels contributes to engraftment of transplanted hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) and restoration of hematopoiesis. We found that chemotherapy and sublethal irradiation induced minor regression of BM sinusoidal endothelial cells (SECs), while lethal irradiation induced severe regression of SECs and required BM transplantation (BMT) for regeneration. Within the BM, VEGFR2 expression specifically demarcated a continuous network of arterioles and SECs, with arterioles uniquely expressing Sca1 and SECs uniquely expressing VEGFR3. Conditional deletion of VEGFR2 in adult mice blocked regeneration of SECs in sublethally irradiated animals and prevented hematopoietic reconstitution. Similarly, inhibition of VEGFR2 signaling in lethally irradiated wild-type mice rescued with BMT severely impaired SEC reconstruction and prevented engraftment and reconstitution of HSPCs. Therefore, regeneration of SECs via VEGFR2 signaling is essential for engraftment of HSPCs and restoration of hematopoiesis.

Advanced human cancers are invariably aneuploid, in that they harbour cells with abnormal chromosome numbers1,2. However, the molecular defects underlying this trait, and whether they are a cause or a consequence of the malignant phenotype, are not clear. Mutations that disable the retinoblastoma (Rb) pathway are also common in human cancers1. These mutations promote tumour development by deregulating the E2F family of transcription factors leading to uncontrolled cell cycle progression3. We show that the mitotic checkpoint protein Mad2 is a direct E2F target and, as a consequence, is aberrantly expressed in cells with Rb pathway defects. Concordantly, Mad2 is overexpressed in several tumour types, where it correlates with high E2F activity and poor patient prognosis. Generation of Rb pathway lesions in normal and transformed cells produces aberrant Mad2 expression and mitotic defects leading to aneuploidy, such that elevated Mad2 contributes directly to these defects. These results demonstrate how chromosome instability can arise as a by-product of defects in cell cycle control that compromise the accuracy of mitosis, and suggest a new model to explain the frequent appearance of aneuploidy in human cancer.

Tumors build vessels by cooption of pre-existing vasculature and de novo recruitment of bone marrow (BM)-derived endothelial progenitor cells (EPCs). However, the contribution and the functional role of EPCs in tumor neoangiogenesis are controversial. Therefore, by using genetically marked BM progenitor cells, we demonstrate the precise spatial and temporal contribution of EPCs to the neovascularization of three transplanted and one spontaneous breast tumor in vivo using high-resolution microscopy and flow cytometry. We show that early tumors recruit BM-derived EPCs that differentiate into mature BM-derived endothelial cells (ECs) and luminally incorporate into a subset of sprouting tumor neovessels. Notably, in later tumors, these BM-derived vessels are diluted with non-BM-derived vessels from the periphery, which accounts for purported differences in previously published reports. Furthermore, we show that specific ablation of BM-derived EPCs with alpha-particle-emitting anti-VE-cadherin antibody markedly impaired tumor growth associated with reduced vascularization. Our results demonstrate that BM-derived EPCs are critical components of the earliest phases of tumor neoangiogenesis.

The epidermal growth-factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitor erlotinib has been proven to be highly effective in the treatment of nonsmall cell lung cancer (NSCLC) harboring oncogenic EGFR mutations. The majority of patients, however, will eventually develop resistance and succumb to the disease. Recent studies have identified secondary mutations in the EGFR (EGFR T790M) and amplification of the N-Methyl-N′-nitro-N-nitroso-guanidine (MNNG) HOS transforming gene (MET) oncogene as two principal mechanisms of acquired resistance. Although they can account for approximately 50% of acquired resistance cases together, in the remaining 50%, the mechanism remains unknown. In NSCLC-derived cell lines and early-stage tumors before erlotinib treatment, we have uncovered the existence of a subpopulation of cells that are intrinsically resistant to erlotinib and display features suggestive of epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). We showed that activation of TGF-β–mediated signaling was sufficient to induce these phenotypes. In particular, we determined that an increased TGF-β–dependent IL-6 secretion unleashed previously addicted lung tumor cells from their EGFR dependency. Because IL-6 and TGF-β are prominently produced during inflammatory response, we used a mouse model system to determine whether inflammation might impair erlotinib sensitivity. Indeed, induction of inflammation not only stimulated IL-6 secretion but was sufficient to decrease the tumor response to erlotinib. Our data, thus, argue that both tumor cell-autonomous mechanisms and/or activation of the tumor microenvironment could contribute to primary and acquired erlotinib resistance, and as such, treatments based on EGFR inhibition may not be sufficient for the effective treatment of lung-cancer patients harboring mutant EGFR.

Reflux esophagitis is believed to be caused by the caustic effects of refluxed gastric acid on esophageal epithelial cells. However, caustic chemical injuries develop rapidly whereas esophagitis might not appear until weeks after the induction of reflux in animal models. We studied early histologic events in the development of reflux esophagitis in a rat model and performed in vitro experiments to determine whether exposure to acidified bile salts causes esophageal epithelial cells to secrete chemokines that might contribute to inflammation.At various time points after esophagoduodenostomy, the rat esophagus was removed and inflammatory changes were analyzed by histologic analyses. Human esophageal squamous cell lines were exposed to acidified bile salts to evaluate their effects on cytokine production and immune-cell migration.Reflux esophagitis started at postoperative day 3 with lymphocytic infiltration of the submucosa that progressed to the epithelial surface-these findings contradicted those expected from a caustic chemical injury. Basal cell and papillary hyperplasia preceded the development of surface erosions. Exposure of squamous cells to acidified bile salts significantly increased the secretion of interleukin-8 and interleukin-1beta; conditioned media from these cells caused significant increases in the migration rates of T cells and neutrophils.These findings support, but do not prove, an alternative concept for the development of reflux esophagitis in which refluxed gastric juice does not directly damage the esophagus, but rather stimulates esophageal epithelial cells to secrete chemokines that mediate damage of esophageal tissue.

Abstract Tumors systemically initiate metastatic niches in distant target metastatic organs. These niches, composed of bone marrow–derived hematopoietic cells, provide permissive conditions for future metastases. However, the mechanisms by which these cells mediate outgrowth of metastatic tumor cells are not completely known. Using mouse models of spontaneous breast cancer, we show enhanced recruitment of bone marrow–derived CD11b+Gr1+ myeloid progenitor cells in the premetastatic lungs. Gene expression profiling revealed that the myeloid cells from metastatic lungs express versican, an extracellular matrix proteoglycan. Notably, versican in metastatic lungs was mainly contributed by the CD11b+Ly6Chigh monocytic fraction of the myeloid cells and not the tumor cells or other stromal cells. Versican knockdown in the bone marrow significantly impaired lung metastases in vivo, without impacting their recruitment to the lungs or altering the immune microenvironment. Versican stimulated mesenchymal to epithelial transition of metastatic tumor cells by attenuating phospho-Smad2 levels, which resulted in elevated cell proliferation and accelerated metastases. Analysis of clinical specimens showed elevated versican expression within the metastatic lung of patients with breast cancer. Together, our findings suggest that selectively targeting tumor-elicited myeloid cells or versican represents a potential therapeutic strategy for combating metastatic disease. Cancer Res; 72(6); 1384–94. ©2012 AACR.