Glioblastomas are lethal cancers characterized by florid angiogenesis promoted in part by glioma stem cells (GSCs). Because hypoxia regulates angiogenesis, we examined hypoxic responses in GSCs. We now demonstrate that hypoxia-inducible factor HIF2α and multiple HIF-regulated genes are preferentially expressed in GSCs in comparison to non-stem tumor cells and normal neural progenitors. In tumor specimens, HIF2α colocalizes with cancer stem cell markers. Targeting HIFs in GSCs inhibits self-renewal, proliferation, and survival in vitro, and attenuates tumor initiation potential of GSCs in vivo. Analysis of a molecular database reveals that HIF2A expression correlates with poor glioma patient survival. Our results demonstrate that GSCs differentially respond to hypoxia with distinct HIF induction patterns, and HIF2α might represent a promising target for antiglioblastoma therapies.

Glioblastomas (GBMs) are highly vascular and lethal brain tumors that display cellular hierarchies containing self-renewing tumorigenic glioma stem cells (GSCs). Because GSCs often reside in perivascular niches and may undergo mesenchymal differentiation, we interrogated GSC potential to generate vascular pericytes. Here, we show that GSCs give rise to pericytes to support vessel function and tumor growth. In vivo cell lineage tracing with constitutive and lineage-specific fluorescent reporters demonstrated that GSCs generate the majority of vascular pericytes. Selective elimination of GSC-derived pericytes disrupts the neovasculature and potently inhibits tumor growth. Analysis of human GBM specimens showed that most pericytes are derived from neoplastic cells. GSCs are recruited toward endothelial cells via the SDF-1/CXCR4 axis and are induced to become pericytes predominantly by transforming growth factor β. Thus, GSCs contribute to vascular pericytes that may actively remodel perivascular niches. Therapeutic targeting of GSC-derived pericytes may effectively block tumor progression and improve antiangiogenic therapy.

The innate immune system senses the invasion of pathogenic microorganisms and tissue injury through Toll-like receptors (TLR), a mechanism thought to be limited to immune cells. We now report that neurons express several TLRs, and that the levels of TLR2 and -4 are increased in neurons in response to IFN-γ stimulation and energy deprivation. Neurons from both TLR2 knockout and -4 mutant mice were protected against energy deprivation-induced cell death, which was associated with decreased activation of a proapoptotic signaling cascade involving jun N-terminal kinase and the transcription factor AP-1. TLR2 and -4 expression was increased in cerebral cortical neurons in response to ischemia/reperfusion injury, and the amount of brain damage and neurological deficits caused by a stroke were significantly less in mice deficient in TLR2 or -4 compared with WT control mice. Our findings establish a proapoptotic signaling pathway for TLR2 and -4 in neurons that may render them vulnerable to ischemic death.

Cancer stem cells (CSCs) are a subpopulation of tumor cells suggested to be critical for tumor maintenance, metastasis, and therapeutic resistance. Prospective identification and targeting of CSCs are therefore priorities for the development of novel therapeutic paradigms. Although CSC enrichment has been achieved with cell surface proteins including CD133 (Prominin-1), the roles of current CSC markers in tumor maintenance remain unclear. We examined the glioblastoma stem cell (GSC) perivascular microenvironment in patient specimens to identify enrichment markers with a functional significance and identified integrin α6 as a candidate. Integrin α6 is coexpressed with conventional GSC markers and enriches for GSCs. Targeting integrin α6 in GSCs inhibits self-renewal, proliferation, and tumor formation capacity. Our results provide evidence that GSCs express high levels of integrin α6, which can serve not only as an enrichment marker but also as a promising antiglioblastoma therapy.

Abstract Radiotherapy represents the most effective nonsurgical treatments for gliomas. However, gliomas are highly radioresistant and recurrence is nearly universal. Results from our laboratory and other groups suggest that cancer stem cells contribute to radioresistance in gliomas and breast cancers. The Notch pathway is critically implicated in stem cell fate determination and cancer. In this study, we show that inhibition of Notch pathway with γ-secretase inhibitors (GSIs) renders the glioma stem cells more sensitive to radiation at clinically relevant doses. GSIs enhance radiation-induced cell death and impair clonogenic survival of glioma stem cells but not non-stem glioma cells. Expression of the constitutively active intracellular domains of Notch1 or Notch2 protect glioma stem cells against radiation. Notch inhibition with GSIs does not alter the DNA damage response of glioma stem cells after radiation but rather reduces Akt activity and Mcl-1 levels. Finally, knockdown of Notch1 or Notch2 sensitizes glioma stem cells to radiation and impairs xenograft tumor formation. Taken together, our results suggest a critical role of Notch signaling to regulate radioresistance of glioma stem cells. Inhibition of Notch signaling holds promise to improve the efficiency of current radiotherapy in glioma treatment.

Anatomically correct tumor genomics Glioblastoma is the most lethal form of human brain cancer. The genomic alterations and gene expression profiles characterizing this tumor type have been widely studied. Puchalski et al. created the Ivy Glioblastoma Atlas, a freely available online resource for the research community. The atlas, a collaborative effort between bioinformaticians and pathologists, maps molecular features of glioblastomas, such as transcriptional signatures, to histologically defined anatomical regions of the tumors. The relationships identified in this atlas, in conjunction with associated databases of clinical and genomic information, could provide new insights into the pathogenesis, diagnosis, and treatment of glioblastoma. Science , this issue p. 660

Brain tumor initiating cells (BTICs) are self-renewing, tumorigenic cells that often reside in a necrotic and hypoxic niche in the brain. Here the authors show that BTICs can become more tumorigenic upon glucose restriction and compensate for this cellular stress by upregulating their capacity to take up glucose. Like all cancers, brain tumors require a continuous source of energy and molecular resources for new cell production. In normal brain, glucose is an essential neuronal fuel, but the blood-brain barrier limits its delivery. We now report that nutrient restriction contributes to tumor progression by enriching for brain tumor initiating cells (BTICs) owing to preferential BTIC survival and to adaptation of non-BTICs through acquisition of BTIC features. BTICs outcompete for glucose uptake by co-opting the high affinity neuronal glucose transporter, type 3 (Glut3, SLC2A3). BTICs preferentially express Glut3, and targeting Glut3 inhibits BTIC growth and tumorigenic potential. Glut3, but not Glut1, correlates with poor survival in brain tumors and other cancers; thus, tumor initiating cells may extract nutrients with high affinity. As altered metabolism represents a cancer hallmark, metabolic reprogramming may maintain the tumor hierarchy and portend poor prognosis.

We have developed a coherent Raman imaging platform using broadband coherent anti-Stokes Raman scattering (BCARS) that provides an unprecedented combination of speed, sensitivity, and spectral breadth. The system utilizes a unique configuration of laser sources that probes the Raman spectrum over 3,000 cm$^{-1}$ and generates an especially strong response in the typically weak Raman "fingerprint" region through heterodyne amplification of the anti-Stokes photons with a large nonresonant background (NRB) while maintaining high spectral resolution of $<$ 13 cm$^{-1}$. For histology and pathology, this system shows promise in highlighting major tissue components in a non-destructive, label-free manner. We demonstrate high-speed chemical imaging in two- and three-dimensional views of healthy murine liver and pancreas tissues and interfaces between xenograft brain tumors and the surrounding healthy brain matter.

Background Malignant gliomas rank among the most lethal cancers. Gliomas display a striking cellular heterogeneity with a hierarchy of differentiation states. Recent studies support the existence of cancer stem cells in gliomas that are functionally defined by their capacity for extensive self-renewal and formation of secondary tumors that phenocopy the original tumors. As the c-Myc oncoprotein has recognized roles in normal stem cell biology, we hypothesized that c-Myc may contribute to cancer stem cell biology as these cells share characteristics with normal stem cells. Methodology/Principal Findings Based on previous methods that we and others have employed, tumor cell populations were enriched or depleted for cancer stem cells using the stem cell marker CD133 (Prominin-1). We characterized c-Myc expression in matched tumor cell populations using real time PCR, immunoblotting, immunofluorescence and flow cytometry. Here we report that c-Myc is highly expressed in glioma cancer stem cells relative to non-stem glioma cells. To interrogate the significance of c-Myc expression in glioma cancer stem cells, we targeted its expression using lentivirally transduced short hairpin RNA (shRNA). Knockdown of c-Myc in glioma cancer stem cells reduced proliferation with concomitant cell cycle arrest in the G0/G1 phase and increased apoptosis. Non-stem glioma cells displayed limited dependence on c-Myc expression for survival and proliferation. Further, glioma cancer stem cells with decreased c-Myc levels failed to form neurospheres in vitro or tumors when xenotransplanted into the brains of immunocompromised mice. Conclusions/Significance These findings support a central role of c-Myc in regulating proliferation and survival of glioma cancer stem cells. Targeting core stem cell pathways may offer improved therapeutic approaches for advanced cancers.

Malignant gliomas are lethal cancers that display cellular hierarchies with cancer stem cells at the apex. Glioma stem cells (GSCs) are not uniformly distributed, but rather located in specialized niches, suggesting that the cancer stem cell phenotype is regulated by the tumor microenvironment. Indeed, recent studies show that hypoxia and its molecular responses regulate cancer stem cell maintenance. We now demonstrate that acidic conditions, independent of restricted oxygen, promote the expression of GSC markers, self-renewal and tumor growth. GSCs exert paracrine effects on tumor growth through elaboration of angiogenic factors, and low pH conditions augment this expression associated with induction of hypoxia inducible factor 2α (HIF2α), a GSC-specific regulator. Induction of HIF2α and other GSC markers by acidic stress can be reverted by elevating pH in vitro, suggesting that raising intratumoral pH may be beneficial for targeting the GSC phenotype. Together, our results suggest that exposure to low pH promotes malignancy through the induction of a cancer stem cell phenotype, and that culturing cancer cells at lower pH reflective of endogenous tumor conditions may better retain the cellular heterogeneity found in tumors.