Summary

 For a decade, The Cancer Genome Atlas (TCGA) program collected clinicopathologic annotation data along with multi-platform molecular profiles of more than 11,000 human tumors across 33 different cancer types. TCGA clinical data contain key features representing the democratized nature of the data collection process. To ensure proper use of this large clinical dataset associated with genomic features, we developed a standardized dataset named the TCGA Pan-Cancer Clinical Data Resource (TCGA-CDR), which includes four major clinical outcome endpoints. In addition to detailing major challenges and statistical limitations encountered during the effort of integrating the acquired clinical data, we present a summary that includes endpoint usage recommendations for each cancer type. These TCGA-CDR findings appear to be consistent with cancer genomics studies independent of the TCGA effort and provide opportunities for investigating cancer biology using clinical correlates at an unprecedented scale.

The response to endocrine therapy in breast cancer correlates with estrogen receptor (ER) and progesterone receptor (PR) status. ER-positive/PR-negative breast cancers respond less well to selective ER modulator (SERM) therapy than ER-positive/PR-positive tumors. The predictive value of PR has long been attributed to the dependence of PR expression on ER activity, with the absence of PR reflecting a nonfunctional ER and resistance to hormonal therapy. However, recent clinical and laboratory evidence suggests that ER-positive/PR-negative breast cancers may be specifically resistant to SERMs, whereas they may be less resistant to estrogen withdrawal therapy with aromatase inhibitors, which is a result inconsistent with the nonfunctional ER theory. Novel alternative molecular mechanisms potentially explaining SERM resistance in ER-positive/PR-negative tumors have been suggested by recent experimental indications that growth factors may downregulate PR levels. Thus, the absence of PR may not simply indicate a lack of ER activity, but rather may reflect hyperactive cross talk between ER and growth factor signaling pathways that downregulate PR even as they activate other ER functions. Therefore, ER-positive/PR-negative breast tumors might best be treated by completely blocking ER action via estrogen withdrawal with aromatase inhibitors, by targeted ER degradation, or by combined therapy targeting both ER and growth factor signaling pathways. In this review, we will discuss the biology and etiology of ER-positive/PR-negative breast cancer, highlighting recent data on molecular cross talk between ER and growth factor signaling pathways and demonstrating how PR might be a useful marker of these activities. Finally, we will consider the clinical implications of these observations.

Background: Clinical data indicate that estrogen receptor–positive/progesterone receptor–negative (ER + /PR − ) breast cancers are less sensitive to tamoxifen than are ER + /PR + tumors. It has also been reported that tamoxifen may be less effective in tumors that overexpress either HER-2 or HER-1 (epidermal growth factor receptor) and that signaling through these receptors reduces PR expression in experimental models. We hypothesized that ER + /PR − breast tumors are more likely than ER + /PR + breast tumors to have an aggressive phenotype, to express HER-1 and overexpress HER-2, and are less likely to benefit from tamoxifen adjuvant therapy. Methods: Clinical and biological features of 31 415 patients with ER + /PR + tumors were compared with those of 13 404 patients with ER + /PR − tumors. Association between disease-free survival (DFS) and HER-1 and HER-2 status was analyzed in a subset of 11 399 patients receiving adjuvant tamoxifen therapy. Hazard ratios (HRs) and 95% confidence intervals (CIs) were calculated using Cox regression or Kaplan–Meier analyses, and all statistical tests were two-sided. Results: ER + /PR − tumors were more frequent in older patients, were larger in size, had a higher S-phase fraction, and were more likely to be aneuploid than ER + /PR + tumors. Furthermore, three times as many ER + /PR − tumors as ER + /PR + tumors expressed HER-1 (25% versus 8%; P <.001) and 50% more overexpressed HER-2 (21% versus 14%; P <.001). Among all tamoxifen-treated women, recurrence was higher among women with HER-1–expressing tumors than with HER-1–negative tumors (HR = 1.9, 95% CI = 1.0 to 3.5; P = .05); a stronger association between worse DFS and HER-2 overexpression was observed (HR = 2.3, 95% CI = 1.2 to 4.3; P = .006). However, results varied by PR status. Among tamoxifen-treated women with ER + /PR + tumors, HER-1 or HER-2 status was not associated with worse DFS. Among women with ER + /PR − tumors, however, both HER-1 expression (HR = 2.4, 95% CI = 1.0 to 5.4; P = .036) and HER-2 overexpression (HR = 2.6, 95% CI = 1.1 to 6.0; P = .022) were associated with a higher likelihood of recurrence. Conclusions: ER + /PR − tumors express higher levels of HER-1 and HER-2 and display more aggressive features than ER + /PR + tumors. As in laboratory models, lack of PR expression in ER + tumors may be a surrogate marker of aberrant growth factor signaling that could contribute to the tamoxifen resistance observed in these tumors.

Stomach biopsy specimens from greater than 40 individuals with Campylobacter pyloridis-associated gastritis were examined by light and electron microscopy. The bacteria were consistently seen in two locations: within the gastric mucus and associated with intercellular junctions of gastric epithelial cells. C. pyloridis is suggested to be one of a broad group of spiral bacteria that are adapted to the peculiar niche provided by intestinal mucus. The spiral morphology and the form of motility of these organisms give them a selective advantage in a viscous environment. This point has been demonstrated in vitro by measurement of the velocity of clinical isolates in solutions of methyl cellulose of varying viscosity. The localization of C. pyloridis close to intercellular junctions is proposed to be due to the presence of preferred metabolites or growth factors, e.g., urea and hemin. All isolates show an extremely high urease activity and require hemin for growth.

Lysophosphatidic acid (LPA) acts through high-affinity G protein-coupled receptors to mediate a plethora of physiological and pathological activities associated with tumorigenesis. LPA receptors and autotaxin (ATX/LysoPLD), the primary enzyme producing LPA, are aberrantly expressed in multiple cancer lineages. However, the role of ATX and LPA receptors in the initiation and progression of breast cancer has not been evaluated. We demonstrate that expression of ATX or each edg family LPA receptor in mammary epithelium of transgenic mice is sufficient to induce a high frequency of late-onset, estrogen receptor (ER)-positive, invasive, and metastatic mammary cancer. Thus, ATX and LPA receptors can contribute to the initiation and progression of breast cancer.

Accumulating evidence suggests that both levels and activity of the estrogen receptor (ER) and the progesterone receptor (PR) are dramatically influenced by growth-factor receptor (GFR) signaling pathways, and that this crosstalk is a major determinant of both breast cancer progression and response to therapy. The phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) pathway, a key mediator of GFR signaling, is one of the most altered pathways in breast cancer. We thus examined whether deregulated PI3K signaling in luminal ER+ breast tumors is associated with ER level and activity and intrinsic molecular subtype. We defined two independent molecular signatures of the PI3K pathway: a proteomic (reverse-phase proteomic array) PI3K signature, based on protein measurement for PI3K signaling intermediates, and a PI3K transcriptional (mRNA) signature based on the set of genes either induced or repressed by PI3K inhibitors. By using these signatures, we scored each ER+ breast tumor represented in multiple independent expression-profiling datasets (four mRNA, n = 915; one protein, n = 429) for activation of the PI3K pathway. Effects of PI3K inhibitor BEZ-235 on ER expression and activity levels and cell growth were tested by quantitative real-time PCR and cell proliferation assays. Within ER+ tumors, ER levels were negatively correlated with the PI3K activation scores, both at the proteomic and transcriptional levels, in all datasets examined. PI3K signature scores were also higher in ER+ tumors and cell lines of the more aggressive luminal B molecular subtype versus those of the less aggressive luminal A subtype. Notably, BEZ-235 treatment in four different ER+ cell lines increased expression of ER and ER target genes including PR, and treatment with IGF-I (which signals via PI3K) decreased expression of ER and target genes, thus further establishing an inverse functional relation between ER and PI3K. BEZ-235 had an additional effect on tamoxifen in inhibiting the growth of a number of ER+ cell lines. Our data suggest that luminal B tumors have hyperactive GFR/PI3K signaling associated with lower ER levels, which has been correlated with resistance to endocrine therapy. Targeting PI3K in these tumors might reverse loss of ER expression and signaling and restore hormonal sensitivity.

Abstract The interplay between the immune system and tumor progression is well recognized. However, current human breast cancer immunophenotyping studies are mostly focused on primary tumors with metastatic breast cancer lesions remaining largely understudied. To address this gap, we examined exome-capture RNA sequencing data from 50 primary breast tumors (PBTs) and their patient-matched metastatic tumors (METs) in brain, ovary, bone and gastrointestinal tract. We used gene expression signatures as surrogates for tumor infiltrating lymphocytes (TIL) and compared TIL patterns in PBTs and METs. Enrichment analysis and deconvolution methods both revealed that METs have a significantly lower abundance of total immune cells, including CD8+ T cells, regulatory T cells and dendritic cells. An exception was M2-like macrophages, which were significantly higher in METs across the organ sites examined. Multiplex immunohistochemistry results were consistent with data from the in-silico analysis and showed increased macrophages in METs. We confirmed the finding of a significant reduction in immune cells in brain (BRM) METs by pathologic assessment of TILs in a set of 49 patient-matched pairs of PBT/BRMs. These findings indicate that METs have an overall lower infiltration of immune cells relative to their matched PBTs, possibly due to immune escape. RNAseq analysis suggests that the relative levels of M2-like macrophages are increased in METs, and their potential role in promoting breast cancer metastasis warrants further study.

Abstract Constitutively active estrogen receptor-α (ER/ ESR1 ) mutations have been identified in approximately one third of ER+ metastatic breast cancer. Although these mutations are known mediators of endocrine resistance, their potential role in promoting metastatic disease has not yet been mechanistically addressed. In this study, we show the presence of ESR1 mutations exclusively in distant, but not local recurrences. In concordance with transcriptomic profiling of ESR1 mutant tumors, genome-edited Y537S and D538G cell models have a reprogrammed cell adhesive gene network via alterations in desmosome/gap junction genes and the TIMP3/MMP axis, which functionally confers enhanced cell-cell contacts while decreased cell-ECM adhesion. Context-dependent migratory phenotypes revealed co-targeting of Wnt and ER as vulnerability. Mutant ESR1 exhibits non-canonical regulation of several metastatic pathways including secondary transactivation and de novo FOXA1-driven chromatin remodeling. Collectively, our data supports evidence for ESR1 mutation-driven metastases and provides insight for future preclinical therapeutic strategies. Significance Context and allele-dependent transcriptome and cistrome reprogramming in genome-edited ESR1 mutation cell models elicit diverse metastatic phenotypes, including but not limited to alterations in cell adhesion and migration. The gain-of-function mutations can be pharmacologically targeted, and thus may be key components of novel therapeutic treatment strategies for ER-mutant metastatic breast cancer.

Abstract Estrogen receptor alpha (ER/ ESR1 ) is mutated in 30-40% of endocrine resistant ER-positive (ER+) breast cancer. ESR1 mutations cause ligand-independent growth and increased metastasis in vivo and in vitro . Despite the distinct clinical features and changes in therapeutic response associated with ESR1 mutations, there are no data about their potential role in intrinsic subtype switching. Applying four luminal and basal gene set pairs, ESR1 mutant cell models and clinical samples showed a significant enrichment of basal subtype markers. Among them, the six basal cytokeratins (BCKs) were the most enriched genes. Induction of BCKs was independent of ER binding and instead associated with chromatin reprogramming centered around a progesterone receptor-orchestrated topological associated domain at the KRT14/16/17 genomic region. Unexpectedly, high BCK expression in ER+ primary breast cancer is associated with good prognosis, and these tumors show enriched activation of a number of immune pathways, a distinctive feature shared with ESR1 mutant tumors. S100A8 and S100A9 were among the most highly induced immune mediators shared between high- BCK s ER+ and ESR1 mutant tumors, and single-cell RNA-seq analysis inferred their involvement in paracrine crosstalk between epithelial and stromal cells. Collectively, these observations demonstrate that ESR1 mutant tumors gain basal features with induction of basal cytokeratins via epigenetic mechanisms in rare subpopulation of cells. This is associated with increased immune activation, encouraging additional studies of immune therapeutic vulnerabilities in ESR1 mutant tumors.

Macrophages are pivotal in driving breast tumor development, progression, and resistance to treatment, particularly in estrogen receptor-positive (ER+) tumors, where they infiltrate the tumor microenvironment (TME) influenced by cancer cell-secreted factors. By analyzing single-cell RNA-sequencing data from 25 ER+ tumors, we elucidated interactions between cancer cells and macrophages, correlating macrophage density with epithelial cancer cell density. We identified that S100A11, a previously unexplored factor in macrophage-cancer crosstalk, predicts high macrophage density and poor outcomes in ER+ tumors. We found that recombinant S100A11 enhances macrophage infiltration and migration in a dose-dependent manner. Additionally, in 3D models, we showed that S100A11 expression levels in ER+ cancer cells predict macrophage infiltration patterns. Neutralizing S100A11 decreased macrophage recruitment, both in cancer cell lines and in a clinically relevant patient-derived organoid model, underscoring its role as a paracrine regulator of cancer-macrophage interactions in the protumorigenic TME. This study offers novel insights into the interplay between macrophages and cancer cells in ER+ breast tumors, highlighting S100A11 as a potential therapeutic target to modulate the macrophage-rich tumor microenvironment.