Summary

 TGF-β and BMP receptor kinases activate Smad transcription factors by C-terminal phosphorylation. We have identified a subsequent agonist-induced phosphorylation that plays a central dual role in Smad transcriptional activation and turnover. As receptor-activated Smads form transcriptional complexes, they are phosphorylated at an interdomain linker region by CDK8 and CDK9, which are components of transcriptional mediator and elongation complexes. These phosphorylations promote Smad transcriptional action, which in the case of Smad1 is mediated by the recruitment of YAP to the phosphorylated linker sites. An effector of the highly conserved Hippo organ size control pathway, YAP supports Smad1-dependent transcription and is required for BMP suppression of neural differentiation of mouse embryonic stem cells. The phosphorylated linker is ultimately recognized by specific ubiquitin ligases, leading to proteasome-mediated turnover of activated Smad proteins. Thus, nuclear CDK8/9 drive a cycle of Smad utilization and disposal that is an integral part of canonical BMP and TGF-β pathways.

Tunneling nanotubes are long, non-adherent F-actin-based cytoplasmic extensions which connect proximal or distant cells and facilitate intercellular transfer. The identification of nanotubes has been limited to cell lines, and their role in cancer remains unclear. We detected tunneling nanotubes in mesothelioma cell lines and primary human mesothelioma cells. Using a low serum, hyperglycemic, acidic growth medium, we stimulated nanotube formation and bidirectional transfer of vesicles, proteins, and mitochondria between cells. Notably, nanotubes developed between malignant cells or between normal mesothelial cells, but not between malignant and normal cells. Immunofluorescent staining revealed their actin-based assembly and structure. Metformin and an mTor inhibitor, Everolimus, effectively suppressed nanotube formation. Confocal microscopy with 3-dimensional reconstructions of sectioned surgical specimens demonstrated for the first time the presence of nanotubes in human mesothelioma and lung adenocarcinoma tumor specimens. We provide the first evidence of tunneling nanotubes in human primary tumors and cancer cells and propose that these structures play an important role in cancer cell pathogenesis and invasion.

Rectal cancer (RC) is a challenging disease to treat that requires chemotherapy, radiation and surgery to optimize outcomes for individual patients. No accurate model of RC exists to answer fundamental research questions relevant to patients. We established a biorepository of 65 patient-derived RC organoid cultures (tumoroids) from patients with primary, metastatic or recurrent disease. RC tumoroids retained molecular features of the tumors from which they were derived, and their ex vivo responses to clinically relevant chemotherapy and radiation treatment correlated with the clinical responses noted in individual patients’ tumors. Upon engraftment into murine rectal mucosa, human RC tumoroids gave rise to invasive RC followed by metastasis to lung and liver. Importantly, engrafted tumors displayed the heterogenous sensitivity to chemotherapy observed clinically. Thus, the biology and drug sensitivity of RC clinical isolates can be efficiently interrogated using an organoid-based, ex vivo platform coupled with in vivo endoluminal propagation in animals. Rectal cancer organoids retain the pathological features of matched patient tumors and recapitulate clinical responses to chemoradiation.

Specific chromatin marks keep master regulators of differentiation silent yet poised for activation by extracellular signals. We report that nodal TGF-β signals use the poised histone mark H3K9me3 to trigger differentiation of mammalian embryonic stem cells. Nodal receptors induce the formation of companion Smad4-Smad2/3 and TRIM33-Smad2/3 complexes. The PHD-Bromo cassette of TRIM33 facilitates binding of TRIM33-Smad2/3 to H3K9me3 and H3K18ac on the promoters of mesendoderm regulators Gsc and Mixl1. The crystal structure of this cassette, bound to histone H3 peptides, illustrates that PHD recognizes K9me3, and Bromo binds an adjacent K18ac. The interaction between TRIM33-Smad2/3 and H3K9me3 displaces the chromatin-compacting factor HP1γ, making nodal response elements accessible to Smad4-Smad2/3 for Pol II recruitment. In turn, Smad4 increases K18 acetylation to augment TRIM33-Smad2/3 binding. Thus, nodal effectors use the H3K9me3 mark as a platform to switch master regulators of stem cell differentiation from the poised to the active state.

Abstract Lineage plasticity is a well–established mechanism of resistance to targeted therapies in lung and prostate cancer, where tumors transition from adenocarcinoma to small–cell or neuroendocrine carcinoma. Through single–cell analysis of a cohort of heavily–treated castration–resistant human prostate cancers (CRPC), we report a greater degree of plasticity than previously appreciated, with multiple distinct neuroendocrine (NEPC), mesenchymal (EMT–like), and other subpopulations detected within single biopsies. To explore the steps leading to this plasticity, we turned to two genetically engineered mouse models of prostate cancer that recapitulate progression from adenocarcinoma to neuroendocrine disease. Time course studies reveal expansion of stem–like luminal epithelial cells ( Sca1 +, Psca +, called L2) that, based on trajectories, gave rise to at least 4 distinct subpopulations, NEPC ( Ascl1 +), POU2F3 ( Pou2f3 +), TFF3 ( Tff3 +) and EMT–like ( Vim +, Ncam1 +)––these populations are also seen in human prostate and small cell lung cancers. Transformed L2–like cells express stem–like and gastrointestinal endoderm–like transcriptional programs, indicative of reemerging developmental plasticity programs, as well as elevated Jak/Stat and interferon pathway signaling. In sum, while the magnitude of multilineage heterogeneity, both within and across patients, raises considerable treatment challenges, the identification of highly plastic luminal cells as the likely source of this heterogeneity provides a target for more focused therapeutic intervention. One Sentence Summary Multilineage plasticity results from expansion of stem–like luminal cells with JAK/STAT activation, serving as a therapeutic target.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)—a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single-cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely PSMA , STEAP1 , STEAP2 , TROP2, CEACAM5 , and DLL3 , varied within a subset of gene-regulatory networks (GRNs). We also noted that NEPC and small cell lung cancer subtypes shared a set of GRNs, indicative of conserved biologic pathways that may be exploited therapeutically across tumor types. While this extreme level of transcriptional heterogeneity, particularly in cell surface marker expression, may mitigate the durability of clinical responses to current and future antigen-directed therapies, its delineation may yield signatures for patient selection in clinical trials, potentially across distinct cancer types.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)--a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis (TMA) on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated, but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely

Rectal cancer (RC) is a challenging disease to treat that requires chemotherapy, radiation, and surgery to optimize outcomes for individual patients. No accurate model of RC exists to answer fundamental research questions relevant to individual patients. We established a biorepository of 32 patient-derived RC organoid cultures (tumoroids) from patients with primary, metastatic, or recurrent disease. RC tumoroids retained molecular features of the tumors from which they were derived, and their ex vivo responses to clinically relevant chemotherapy and radiation treatment correlate well with responses noted in individual patients' tumors. Upon engraftment into murine rectal mucosa, human RC tumoroids gave rise to invasive rectal cancer followed by metastasis to lung and liver. Importantly, engrafted tumors closely reflected the heterogenous sensitivity to chemotherapy observed clinically. Thus, the biology and drug sensitivity of RC clinical isolates can be efficiently interrogated using an organoid-based, in vitro platform coupled with endoluminal propagation in animals.

ABSTRACT Colorectal cancer (CRC) is a leading cause of cancer mortality. Creatine metabolism was previously shown to critically regulate colon cancer progression. We report that RGX-202, an oral small-molecule SLC6A8 creatine transporter inhibitor, robustly inhibits creatine import in vitro and in vivo, reduces intracellular phosphocreatine and ATP levels and induces tumor cell apoptosis in CRC. RGX-202 suppressed tumor growth across KRAS wild-type and KRAS mutant xenograft, syngeneic and patient-derived xenograft colorectal cancers. Anti-tumor efficacy correlated with tumoral expression of creatine kinase B. Combining RGX-202 with 5- fluorouracil or the DHODH inhibitor leflunomide caused regressions of multiple colorectal xenograft and PDX tumors of distinct mutational backgrounds. RGX-202 also perturbed creatine metabolism in metastatic CRC patients enrolled in a Phase-1 trial, mirroring pharmacodynamic effects on creatine metabolism observed in mice. This is, to our knowledge, the first demonstration of pre-clinical and human pharmacodynamic activity for creatine metabolism targeting in oncology, revealing a critical target for CRC.

BRAFV600E mutation occurs in 46% of melanomas and drives high levels of ERK activity and ERK-dependent proliferation. However, BRAFV600E is insufficient to drive melanoma in GEMM models, and 82% of human benign nevi harbor BRAFV600E mutations. We show here that BRAFV600E inhibits mesenchymal migration by causing feedback inhibition of RAC1 activity. ERK pathway inhibition leads to RAC1 activation and restores migration and invasion. In cells with BRAFV600E, activating RAC1 mutation, overexpression of PREX1, PREX2, or PTEN inactivation restore RAC1 activity and cell motility. Together, these lesions occur in 48% of BRAFV600E melanomas. Thus, although BRAFV600E activation of ERK deregulates cell proliferation, it prevents full malignant transformation by causing feedback inhibition of cell migration. Secondary mutations are, therefore, required for tumorigenesis. One mechanism underlying tumor evolution may be the selection of lesions that rescue the deleterious effects of oncogenic drivers.