Pathways that govern stem cell (SC) function are often subverted in cancer. Here, we report the isolation to near purity of human normal mammary SCs (hNMSCs), from cultured mammospheres, on the basis of their ability to retain the lipophilic dye PKH26 as a consequence of their quiescent nature. PKH26-positive cells possess all the characteristics of hNMSCs. The transcriptional profile of PKH26-positive cells (hNMSC signature) was able to predict biological and molecular features of breast cancers. By using markers of the hNMSC signature, we prospectively isolated SCs from the normal gland and from breast tumors. Poorly differentiated (G3) cancers displayed higher content of prospectively isolated cancer SCs (CSCs) than did well-differentiated (G1) cancers. By comparing G3 and G1 tumors in xenotransplantation experiments, we directly demonstrated that G3s are enriched in CSCs. Our data support the notion that the heterogeneous phenotypical and molecular traits of human breast cancers are a function of their CSC content.

Plasma membrane receptors can be endocytosed through clathrin-dependent and clathrin-independent pathways. Here, we show that the epidermal growth factor (EGF) receptor (EGFR), when stimulated with low doses of EGF, is internalized almost exclusively through the clathrin pathway, and it is not ubiquitinated. At higher concentrations of ligand, however, a substantial fraction of the receptor is endocytosed through a clathrin-independent, lipid raft-dependent route, as the receptor becomes ubiquitinated. An ubiquitination-impaired EGFR mutant was internalized through the clathrin pathway, whereas an EGFR/ubiquitin chimera, that can signal solely through its ubiquitin (Ub) moiety, was internalized exclusively by the non-clathrin pathway. Non-clathrin internalization of ubiquitinated EGFR depends on its interaction with proteins harboring the Ub-interacting motif, as shown through the ablation of three Ub-interacting motif-containing proteins, eps15, eps15R, and epsin. Thus, eps15s and epsin perform an important function in coupling ubiquitinated cargo to clathrin-independent internalization.

Stem-like cells may be integral to the development and maintenance of human cancers. Direct proof is still lacking, mainly because of our poor understanding of the biological differences between normal and cancer stem cells (SCs). Using the ErbB2 transgenic model of breast cancer, we found that self-renewing divisions of cancer SCs are more frequent than their normal counterparts, unlimited and symmetric, thus contributing to increasing numbers of SCs in tumoral tissues. SCs with targeted mutation of the tumor suppressor p53 possess the same self-renewal properties as cancer SCs, and their number increases progressively in the p53 null premalignant mammary gland. Pharmacological reactivation of p53 correlates with restoration of asymmetric divisions in cancer SCs and tumor growth reduction, without significant effects on additional cancer cells. These data demonstrate that p53 regulates polarity of cell division in mammary SCs and suggest that loss of p53 favors symmetric divisions of cancer SCs, contributing to tumor growth.

The epidermal growth factor receptor (EGFR) gene is frequently amplified and/or overexpressed in human malignancies. To investigate the biological effects of its overexpression, we constructed a eukaryotic vector containing human EGFR cDNA. Introduction of this construct led to reconstitution of functional EGF receptors in NR6 mutant cells, which are normally devoid of this receptor. Transfection of NIH 3T3 resulted in no significant alterations in growth properties. However, EGF addition led to the formation of densely growing transformed foci in liquid culture and colonies in semisolid medium. NIH 3T3-EGFR clonal lines, which expressed the EGF at 500- to 1000-fold levels over control NIH 3T3 cells, demonstrated a marked increase in DNA synthesis in response to EGF. Thus EGF receptor overexpression appears to amplify normal EGF signal transduction. Finally, high levels of EGFR expression, which conferred a transformed phenotype to NIH 3T3 cells in the presence of ligand, were demonstrated in representative human tumor cell lines that contained amplified copies of the EGFR gene.

Clathrin-mediated endocytosis (CME) is the major pathway of epidermal growth factor receptor (EGFR) internalization. It is commonly believed that CME mediates long-term attenuation of EGFR signaling by targeting the receptor for degradation. However, the EGFR can also be internalized through (a) clathrin-independent pathway(s), and it remains unclear why distinct mechanisms of internalization have evolved. Here, we report that EGFRs internalized via CME are not targeted for degradation, but instead are recycled to the cell surface. By contrast, clathrin-independent internalization preferentially commits the receptor to degradation. This finding has profound implications for signaling, as by skewing EGFR fate toward recycling rather than degradation, CME prolongs the duration of signaling. Our data show that CME determines the longevity of some EGFR-activated signaling pathways and that EGF-dependent biological responses, such as DNA synthesis, absolutely require CME. Thus, CME of the EGFR unexpectedly has a greater impact on receptor signaling than on receptor degradation.

The biological antagonism between Notch and Numb controls the proliferative/differentiative balance in development and homeostasis. Although altered Notch signaling has been linked to human diseases, including cancer, evidence for a substantial involvement of Notch in human tumors has remained elusive. Here, we show that Numb-mediated control on Notch signaling is lost in ∼50% of human mammary carcinomas, due to specific Numb ubiquitination and proteasomal degradation. Mechanistically, Numb operates as an oncosuppressor, as its ectopic expression in Numb-negative, but not in Numb-positive, tumor cells inhibits proliferation. Increased Notch signaling is observed in Numb-negative tumors, but reverts to basal levels after enforced expression of Numb. Conversely, Numb silencing increases Notch signaling in normal breast cells and in Numb-positive breast tumors. Finally, growth suppression of Numb-negative, but not Numb-positive, breast tumors can be achieved by pharmacological inhibition of Notch. Thus, the Numb/Notch biological antagonism is relevant to the homeostasis of the normal mammary parenchyma and its subversion contributes to human mammary carcinogenesis.

Four transmembrane tyrosine kinases constitute the ErbB receptor family: the epidermal growth factor (EGF) receptor, ErbB-2, ErbB-3, and ErbB-4. We have measured the endocytic capacities of all four members of the EGF receptor family, including ErbB-3 and ErbB-4, which have not been described previously. EGF-responsive chimeric receptors containing the EGF receptor extracellular domain and different ErbB cytoplasmic domains (EGFR/ErbB) have been employed. The capacity of these growth factor-receptor complexes to mediate ¹²⁵I-EGF internalization, receptor down-regulation, receptor degradation, and receptor co-immunoprecipitation with AP-2 was assayed. In contrast to the EGF receptor, all EGFR/ErbB receptors show impaired ligand-induced rapid internalization, down-regulation, degradation, and AP-2 association. Also, we have analyzed the heregulin-responsive wild-type ErbB-4 receptor, which does not mediate the rapid internalization of ¹²⁵I-heregulin, demonstrates no heregulin-regulated receptor degradation, and fails to form association complexes with AP-2. Despite the substantial differences in ligand-induced receptor trafficking between the EGF and ErbB-4 receptors, EGF and heregulin have equivalent capacities to stimulate DNA synthesis in quiescent cells. These results show that the ligand-dependent down-regulation mechanism of the EGF receptor, surprisingly, is not a property of any other known ErbB receptor family member. Since endocytosis is thought to be an attenuation mechanism for growth factor-receptor complexes, these data imply that substantial differences in attenuation mechanisms exist within one family of structurally related receptors.