Abstract Extracellular matrix (ECM) organization influences cancer development and progression. It modulates the invasion of cancer cells and can hinder the access of immune cells to cancer cells. Effective quantification of ECM architecture and its relationship to the position of different cell types is, therefore, important when investigating the role of ECM in cancer development. Using topological data analysis (TDA), particularly persistent homology and Dowker persistent homology, we develop a novel analysis pipeline for quantifying ECM architecture, spatial patterns of cell positions, and the spatial relationships between distinct constituents of the tumour microenvironment. We apply the pipeline to 44 surgical specimens of lung adenocarcinoma from the lung TRACERx study stained with picrosirius red and haematoxylin. We show that persistent homology effectively encodes the architectural features of the tumour microenvironment. Inference using pseudo-time analysis and spatial mapping to centimetre scale tissues suggests a gradual and progressive route of change in ECM architecture, with two different end states. Dowker persistent homology enables the analysis of spatial relationship between any pair of constituents of the tumour microenvironment, such as ECM, cancer cells, and leukocytes. We use Dowker persistent homology to quantify the spatial segregation of cancer and immune cells over different length scales. A combined analysis of both topological and non-topological features of the tumour microenvironment indicates that progressive changes in the ECM are linked to increased immune exclusion and reduced oxidative metabolism.

Abstract Underlying higher order chromatin organization are Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) complexes, large protein rings that entrap DNA. The molecular mechanism by which SMC complexes organize chromatin is as yet incompletely understood. Two prominent models posit that SMC complexes actively extrude DNA loops (loop extrusion), or that they sequentially entrap two DNAs that come into proximity by Brownian motion (diffusion capture). To explore the implications of these two mechanisms, we perform biophysical simulations of a 3.76 Mb-long chromatin chain, the size of the long S. pombe chromosome I left arm. On it, the SMC complex condensin is modeled to perform loop extrusion or diffusion capture. We then compare computational to experimental observations of mitotic chromosome formation. Both loop extrusion and diffusion capture can result in native-like contact probability distributions. In addition, the diffusion capture model more readily recapitulates mitotic chromosome axis shortening and chromatin density enrichment. Diffusion capture can also explain why mitotic chromatin shows reduced, as well as more anisotropic, movements, features that lack support from loop extrusion. The condensin distribution within mitotic chromosomes, visualized by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM), shows clustering predicted from diffusion capture. Our results inform the evaluation of current models of mitotic chromosome formation.

Abstract Cancers, such as squamous cell carcinoma, frequently invade as multicellular units. However, these invading units can be organized in a variety of ways, ranging from thin discontinuous strands to thick ‘pushing’ collectives. Here we employ an integrated experimental and computational approach to identify the factors that determine the mode of collective cancer cell invasion. We find that matrix proteolysis is linked to the formation of wide strands, but has little effect on the maximum extent of invasion. Cell-cell junctions also favour wide strands, but our analysis also reveals a requirement for cell-cell junctions for efficient invasion in response to uniform directional cues. Unexpectedly, the ability to generate wide invasive strands is coupled to the ability to grow effectively when surrounded by ECM in 3D assays. Combinatorial perturbation of both matrix proteolysis and cell-cell adhesion demonstrates that the most aggressive cancer behaviour, both in terms of invasion and growth, is achieved at high levels of cell-cell adhesion and high levels of proteolysis. Contrary to expectation, cells with canonical mesenchymal traits – no cell-cell junctions and high proteolysis – exhibit reduced growth and lymph node metastasis. Thus, we conclude that the ability of squamous cell carcinoma cells to invade effectively is also linked to their ability to generate space for proliferation in confined contexts. These data provide an explanation for the apparent advantage of retaining cell-cell junctions in SCC.