Summary

 Glioblastoma multiforme (GBM) displays cellular hierarchies harboring a subpopulation of stem-like cells (GSCs). Enhancer of Zeste Homolog 2 (EZH2), the lysine methyltransferase of Polycomb repressive complex 2, mediates transcriptional repression of prodifferentiation genes in both normal and neoplastic stem cells. An oncogenic role of EZH2 as a transcriptional silencer is well established; however, additional functions of EZH2 are incompletely understood. Here, we show that EZH2 binds to and methylates STAT3, leading to enhanced STAT3 activity by increased tyrosine phosphorylation of STAT3. The EZH2-STAT3 interaction preferentially occurs in GSCs relative to non-stem bulk tumor cells, and it requires a specific phosphorylation of EZH2. Inhibition of EZH2 reverses the silencing of Polycomb target genes and diminishes STAT3 activity, suggesting therapeutic strategies.

A number of recent reports have demonstrated that only CD133-positive cancer cells of glioblastoma multiforme (GBM) have tumor-initiating potential. These findings raise an attractive hypothesis that GBMs can be cured by eradicating CD133-positive cancer stem cells (CSCs), which are a small portion of GBM cells. However, as GBMs are known to possess various genetic alterations, GBMs might harbor heterogeneous CSCs with different genetic alterations. Here, we compared the clinical characteristics of two GBM patient groups divided according to CD133-positive cell ratios. The CD133-low GBMs showed more invasive growth and gene expression profiles characteristic of mesenchymal or proliferative subtypes, whereas the CD133-high GBMs showed features of cortical and well-demarcated tumors and gene expressions typical of proneuronal subtype. Both CD133-positive and CD133-negative cells purified from four out of six GBM patients produced typical GBM tumor masses in NOD-SCID brains, whereas brain mass from CD133-negative cells showed more proliferative and angiogenic features compared to that from CD133-positive cells. Our results suggest, in contrast to previous reports that only CD133-positive cells of GBMs can initiate tumor formation in vivo CD133-negative cells also possess tumor-initiating potential, which is indicative of complexity in the identification of cancer cells for therapeutic targeting.

Abstract Background Intra-tumoral genetic and functional heterogeneity correlates with cancer clinical prognoses. However, the mechanisms by which intra-tumoral heterogeneity impacts therapeutic outcome remain poorly understood. RNA sequencing (RNA-seq) of single tumor cells can provide comprehensive information about gene expression and single-nucleotide variations in individual tumor cells, which may allow for the translation of heterogeneous tumor cell functional responses into customized anti-cancer treatments. Results We isolated 34 patient-derived xenograft (PDX) tumor cells from a lung adenocarcinoma patient tumor xenograft. Individual tumor cells were subjected to single cell RNA-seq for gene expression profiling and expressed mutation profiling. Fifty tumor-specific single-nucleotide variations, including KRAS G12D , were observed to be heterogeneous in individual PDX cells. Semi-supervised clustering, based on KRAS G12D mutant expression and a risk score representing expression of 69 lung adenocarcinoma-prognostic genes, classified PDX cells into four groups. PDX cells that survived in vitro anti-cancer drug treatment displayed transcriptome signatures consistent with the group characterized by KRAS G12D and low risk score. Conclusions Single-cell RNA-seq on viable PDX cells identified a candidate tumor cell subgroup associated with anti-cancer drug resistance. Thus, single-cell RNA-seq is a powerful approach for identifying unique tumor cell-specific gene expression profiles which could facilitate the development of optimized clinical anti-cancer strategies.

Frequent discrepancies between preclinical and clinical results of anticancer agents demand a reliable translational platform that can precisely recapitulate the biology of human cancers. Another critical unmet need is the ability to predict therapeutic responses for individual patients. Toward this goal, we have established a library of orthotopic glioblastoma (GBM) xenograft models using surgical samples of GBM patients. These patient-specific GBM xenograft tumors recapitulate histopathological properties and maintain genomic characteristics of parental GBMs in situ. Furthermore, in vivo irradiation, chemotherapy, and targeted therapy of these xenograft tumors mimic the treatment response of parental GBMs. We also found that establishment of orthotopic xenograft models portends poor prognosis of GBM patients and identified the gene signatures and pathways signatures associated with the clinical aggressiveness of GBMs. Together, the patient-specific orthotopic GBM xenograft library represent the preclinically and clinically valuable "patient tumor's phenocopy" that represents molecular and functional heterogeneity of GBMs.

Intratumoral heterogeneity hampers the success of marker-based anticancer treatment because the targeted therapy may eliminate a specific subpopulation of tumor cells while leaving others unharmed. Accordingly, a rational strategy minimizing survival of the drug-resistant subpopulation is essential to achieve long-term therapeutic efficacy. Using single-cell RNA sequencing (RNA-seq), we examine the intratumoral heterogeneity of a pair of primary renal cell carcinoma and its lung metastasis. Activation of drug target pathways demonstrates considerable variability between the primary and metastatic sites, as well as among individual cancer cells within each site. Based on the prediction of multiple drug target pathway activation, we derive a combinatorial regimen co-targeting two mutually exclusive pathways for the metastatic cancer cells. This combinatorial strategy shows significant increase in the treatment efficacy over monotherapy in the experimental validation using patient-derived xenograft platforms in vitro and in vivo. Our findings demonstrate the investigational application of single-cell RNA-seq in the design of an anticancer regimen. The approach may overcome intratumoral heterogeneity which hampers the success of precision medicine.

Abstract Ephaptic coupling is a unique way physically adjacent neurons can influence one another’s activity that, without an underlying molecular mechanism, could easily be considered a form of electrical interference rather than a genuine contributor to information processing. Here, we show the hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channel unilateralizes the ephaptic inhibition of Drosophila gustatory receptor neurons (GRNs). HCN in sweet-sensing GRNs (sGRNs) allows sweetness to dominate bitterness. Simultaneously, HCN, throttling sGRNs in sugar-rich environments, enhances bitter-sensing GRN sensitivity to allow for uncompromised aversion to potentially toxic bitter substances. Thus, ephaptic inhibition can be genetically programmed and subjected to natural selection. This implies ephaptic coding arose to meet a physiologic need and may provide mechanistic insights into the well-known but enigmatic phenomenon of sweet-dependent taste suppression in humans.

Abstract Establishing transepithelial ion disparities is crucial for sensory functions in animals. In insect sensory organs called sensilla, a transepithelial potential, known as the sensillum potential (SP), arises through active ion transport across accessory cells, sensitizing receptor neurons such as mechanoreceptors and chemoreceptors. Because multiple receptor neurons are often co-housed in a sensillum and share SP, niche-prevalent overstimulation of single sensory neurons can compromise neighboring receptors by depleting SP. However, how such potential depletion is prevented to maintain sensory homeostasis remains unknown. Here, we find that the Ih -encoded hyperpolarization-activated cyclic nucleotide gated (HCN) channel bolsters the activity of bitter-sensing gustatory receptor neurons (bGRNs), albeit acting in sweet-sensing GRNs (sGRNs). For this task, HCN maintains SP despite prolonged sGRN stimulation induced by the diet mimicking their sweet feeding niche, such as overripe fruit. We present evidence that Ih -dependent demarcation of sGRN excitability is implemented to throttle SP consumption, which may have facilitated adaptation to a sweetness-dominated environment. Thus, HCN expressed in sGRNs serves as a key component of a simple yet versatile peripheral coding that regulates bitterness for optimal food intake in two contrasting ways: sweet-resilient preservation of bitter aversion and the previously reported sweet-dependent suppression of bitter taste.