Here, we show that new mitochondrial biogenesis is required for the anchorage independent survival and propagation of cancer stem-like cells (CSCs). More specifically, we used the drug XCT790 as an investigational tool, as it functions as a specific inhibitor of the ERRα-PGC1 signaling pathway, which governs mitochondrial biogenesis. Interestingly, our results directly demonstrate that XCT790 efficiently blocks both the survival and propagation of tumor initiating stem-like cells (TICs), using the MCF7 cell line as a model system. Mechanistically, we show that XCT790 suppresses the activity of several independent signaling pathways that are normally required for the survival of CSCs, such as Sonic hedgehog, TGFβ-SMAD, STAT3, and Wnt signaling. We also show that XCT790 markedly reduces oxidative mitochondrial metabolism (OXPHOS) and that XCT790-mediated inhibition of CSC propagation can be prevented or reversed by Acetyl-L-Carnitine (ALCAR), a mitochondrial fuel. Consistent with our findings, over-expression of ERRα significantly enhances the efficiency of mammosphere formation, which can be blocked by treatment with mitochondrial inhibitors. Similarly, mammosphere formation augmented by FOXM1, a downstream target of Wnt/β-catenin signaling, can also be blocked by treatment with three different classes of mitochondrial inhibitors (XCT790, oligomycin A, or doxycycline). In this context, our unbiased proteomics analysis reveals that FOXM1 drives the expression of >90 protein targets associated with mitochondrial biogenesis, glycolysis, the EMT and protein synthesis in MCF7 cells, processes which are characteristic of an anabolic CSC phenotype. Finally, doxycycline is an FDA-approved antibiotic, which is very well-tolerated in patients. As such, doxycycline could be re-purposed clinically as a 'safe' mitochondrial inhibitor, to target FOXM1 and mitochondrial biogenesis in CSCs, to prevent tumor recurrence and distant metastasis, thereby avoiding patient relapse.

// Marco Fiorillo 1,2,3 , Andrea F. Verre 4 , Maria Iliut 4 , Maria Peiris-Pag é s 1,2 , Bela Ozsvari 1,2 , Ricardo Gandara 1,2 , Anna Rita Cappello 3 , Federica Sotgia 1,2 , Aravind Vijayaraghavan 4 and Michael P. Lisanti 1,2 1 The Manchester Centre for Cellular Metabolism (MCCM), Institute of Cancer Sciences, University of Manchester, UK 2 The Breakthrough Breast Cancer Research Unit, Institute of Cancer Sciences, University of Manchester, UK 3 The Department of Pharmacy, Health and Nutritional Sciences, The University of Calabria, Italy 4 School of Materials and National Graphene Institute, University of Manchester, UK Correspondence: Michael P. Lisanti, email: // Aravind Vijayaraghavan, email: // Keywords : nanomaterials, graphene oxide, cancer stem cells, multiple cancer types: breast, ovarian Received : January 01, 2015 Accepted : February 12, 2015 Published : February 24, 2015 Abstract Tumor-initiating cells (TICs), a.k.a. cancer stem cells (CSCs), are difficult to eradicate with conventional approaches to cancer treatment, such as chemo-therapy and radiation. As a consequence, the survival of residual CSCs is thought to drive the onset of tumor recurrence, distant metastasis, and drug-resistance, which is a significant clinical problem for the effective treatment of cancer. Thus, novel approaches to cancer therapy are needed urgently, to address this clinical need. Towards this end, here we have investigated the therapeutic potential of graphene oxide to target cancer stem cells. Graphene and its derivatives are well-known, relatively inert and potentially non-toxic nano-materials that form stable dispersions in a variety of solvents. Here, we show that graphene oxide (of both big and small flake sizes) can be used to selectively inhibit the proliferative expansion of cancer stem cells, across multiple tumor types. For this purpose, we employed the tumor-sphere assay, which functionally measures the clonal expansion of single cancer stem cells under anchorage-independent conditions. More specifically, we show that graphene oxide effectively inhibits tumor-sphere formation in multiple cell lines, across 6 different cancer types, including breast, ovarian, prostate, lung and pancreatic cancers, as well as glioblastoma (brain). In striking contrast, graphene oxide is non-toxic for “bulk” cancer cells (non-stem) and normal fibroblasts. Mechanistically, we present evidence that GO exerts its striking effects on CSCs by inhibiting several key signal transduction pathways (WNT, Notch and STAT-signaling) and thereby inducing CSC differentiation. Thus, graphene oxide may be an effective non-toxic therapeutic strategy for the eradication of cancer stem cells, via differentiation-based nano-therapy.

ABSTRACT Molecular subtypes of Small Cell Lung Cancer (SCLC) have been described based on differential expression of transcription factors (TFs) ASCL1, NEUROD1 , POU2F3 and immune-related genes. We previously reported an additional subtype based on expression of the neurogenic TF ATOH1 within our SCLC Circulating tumour cell- Derived eXplant (CDX) model biobank. Here we show that ATOH1 protein was detected in 7/81 preclinical models and 16/102 clinical samples of SCLC. In CDX models, ATOH1 directly regulated neurogenesis and differentiation programs consistent with roles in normal tissues. In ex vivo cultures of ATOH1-positive CDX, ATOH1 was required for cell survival. In vivo , ATOH1 depletion slowed tumour growth and suppressed liver metastasis. Our data validate ATOH1 as a bona fide oncogenic driver of SCLC with tumour cell survival and pro-metastatic functions. Further investigation to explore ATOH1 driven vulnerabilities for targeted treatment with predictive biomarkers is warranted.