Summary

 The anti-diabetic drug metformin targets pancreatic cancer stem cells (CSCs), but not their differentiated progenies (non-CSCs), which may be related to distinct metabolic phenotypes. Here we conclusively demonstrate that while non-CSCs were highly glycolytic, CSCs were dependent on oxidative metabolism (OXPHOS) with very limited metabolic plasticity. Thus, mitochondrial inhibition, e.g., by metformin, translated into energy crisis and apoptosis. However, resistant CSC clones eventually emerged during treatment with metformin due to their intermediate glycolytic/respiratory phenotype. Mechanistically, suppression of MYC and subsequent increase of PGC-1α were identified as key determinants for the OXPHOS dependency of CSCs, which was abolished in resistant CSC clones. Intriguingly, no resistance was observed for the mitochondrial ROS inducer menadione and resistance could also be prevented/reversed for metformin by genetic/pharmacological inhibition of MYC. Thus, the specific metabolic features of pancreatic CSCs are amendable to therapeutic intervention and could provide the basis for developing more effective therapies to combat this lethal cancer.

Reprogramming of adult cells to generate induced pluripotent stem cells (iPS cells) has opened new therapeutic opportunities; however, little is known about the possibility of in vivo reprogramming within tissues. Here we show that transitory induction of the four factors Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc in mice results in teratomas emerging from multiple organs, implying that full reprogramming can occur in vivo. Analyses of the stomach, intestine, pancreas and kidney reveal groups of dedifferentiated cells that express the pluripotency marker NANOG, indicative of in situ reprogramming. By bone marrow transplantation, we demonstrate that haematopoietic cells can also be reprogrammed in vivo. Notably, reprogrammable mice present circulating iPS cells in the blood and, at the transcriptome level, these in vivo generated iPS cells are closer to embryonic stem cells (ES cells) than standard in vitro generated iPS cells. Moreover, in vivo iPS cells efficiently contribute to the trophectoderm lineage, suggesting that they achieve a more plastic or primitive state than ES cells. Finally, intraperitoneal injection of in vivo iPS cells generates embryo-like structures that express embryonic and extraembryonic markers. We conclude that reprogramming in vivo is feasible and confers totipotency features absent in standard iPS or ES cells. These discoveries could be relevant for future applications of reprogramming in regenerative medicine. Induced pluripotent stem cells (iPS cells) have been created in vivo by reprogramming mouse somatic cells with Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc; these cells have totipotent features that are missing from in vitro created iPS cells or embryonic stem cells. Manuel Serrano and colleagues show for the first time that reprogramming of somatic cells to pluripotency by the classic 'Yamanaka factors' Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc can be achieved in vivo. Analysis of induced pluripotent stem (iPS) cells induced in vivo from stomach, intestine, pancreas and kidney cells in mice shows that they are closer to embryonic stem cells than in vitro-generated iPS cells. The in vivo iPS cells also have the potential to generate embryo-like structures that express embryonic and extraembryonic markers, which suggests that they have totipotent features not found in conventional iPS or embryonic stem cells.

Most of the studies characterizing DNA methylation patterns have been restricted to particular genomic loci in a limited number of human samples and pathological conditions. Herein, we present a compromise between an extremely comprehensive study of a human sample population with an intermediate level of resolution of CpGs at the genomic level. We obtained a DNA methylation fingerprint of 1628 human samples in which we interrogated 1505 CpG sites. The DNA methylation patterns revealed show this epigenetic mark to be critical in tissue-type definition and stemness, particularly around transcription start sites that are not within a CpG island. For disease, the generated DNA methylation fingerprints show that, during tumorigenesis, human cancer cells underwent a progressive gain of promoter CpG-island hypermethylation and a loss of CpG methylation in non-CpG-island promoters. Although transformed cells are those in which DNA methylation disruption is more obvious, we observed that other common human diseases, such as neurological and autoimmune disorders, had their own distinct DNA methylation profiles. Most importantly, we provide proof of principle that the DNA methylation fingerprints obtained might be useful for translational purposes by showing that we are able to identify the tumor type origin of cancers of unknown primary origin (CUPs). Thus, the DNA methylation patterns identified across the largest spectrum of samples, tissues, and diseases reported to date constitute a baseline for developing higher-resolution DNA methylation maps and provide important clues concerning the contribution of CpG methylation to tissue identity and its changes in the most prevalent human diseases.

Abstract Exclusion of brain metastases from clinical trials is a major cause of the limited therapeutic options for this growing population of cancer patients. Here, we report a medium-throughput drug-screening platform (METPlatform) based on organotypic cultures that allows to evaluate inhibitors against metastases growing in situ . By applying this approach to brain metastasis, we identified several hits from a library of FDA approved inhibitors and others being tested in clinical trials. A blood-brain barrier permeable HSP90 inhibitor showed high potency against mouse and human brain metastases at clinically relevant stages of the disease, including a novel model of local relapse after neurosurgery. Furthermore, in situ proteomic analysis applied to organotypic cultures with metastases treated with the chaperone inhibitor revealed novel biomarkers in human brain metastasis and actionable mechanisms of resistance. Our work validates METPlatform as a potent resource for metastasis research integrating drug-screening and unbiased omic approaches that is fully compatible with human samples. We envision that METPlatform could be established as a clinically relevant strategy to personalize the management of metastatic disease in the brain and elsewhere. Summary Systemic spread of cancer continues to be the key aspect associated with lethality. In this publication, Zhu et al. describes a drug-screening platform specifically designed to study vulnerabilities of metastasis when colonizing secondary organs and demonstrates its value in difficult-to-treat brain metastasis using new models and patient-derived samples.

Abstract Cellular reprogramming from somatic to pluripotent cells is the basis for multiple applications aimed to replace damaged tissues in regenerative medicine. However, this process is limited by intrinsic barriers that are induced in response to reprogramming factors. In this manuscript we report that miR-203, a microRNA with multiple functions in differentiation and tumor suppression, acts as an endogenous barrier to reprogramming. Genetic ablation of miR-203 results in enhanced reprogramming whereas its expression prevents the formation of pluripotent cells both in vitro and in vivo. Mechanistically, this effect correlates with the direct repression of NFATC2, a transcription factor involved in the early phases of reprogramming. Inhibition of NFATC2 mimics miR-203 effects whereas NFATC2 overexpression rescues inducible cell pluripotency in miR-203-overexpressing cultures. These data suggest that miR-203 repression may favor the efficiency of reprogramming in a variety of cellular models.

Abstract The mechanistic target of rapamycin complex 1 controls cellular anabolism in response to growth factor signaling and to nutrient sufficiency signaled through the Rag GTPases. Inhibition of mTOR reproducibly extends longevity across eukaryotes. Here we report that mice that endogenously express active mutant variants of RagC exhibit multiple features of parenchymal damage that include senescence, expression of inflammatory molecules, increased myeloid inflammation with extensive features of inflammaging and a ~30% reduction in lifespan. Through bone marrow transplantation experiments, we show that myeloid cells are abnormally activated by signals emanating from dysfunctional RagC-mutant parenchyma, causing neutrophil extravasation that inflicts additional inflammatory damage. Therapeutic suppression of myeloid inflammation in aged RagC-mutant mice attenuates parenchymal damage and extends survival. Together, our findings link mildly increased nutrient signaling to limited lifespan in mammals, and support a two-component process of parenchymal damage and myeloid inflammation that together precipitate a time-dependent organ deterioration that limits longevity.

Abstract The nucleolus is a dynamic structure where ribosome subunits are produced. Indeed, nucleoli respond to any change in cellular homeostasis by altering the rate of ribosome biogenesis, thus working as a stress sensor. Therefore, an imbalance in ribosome biogenesis promotes changes in morphology and function and can evoke a nucleolar stress response. Changes in the structure and composition of nucleoli impair ribosome biogenesis and have been described as nucleolar stress, a mechanism related to aging and cancer. Here, we show the role of the RNA binding protein Hnrnpk in nucleolar dynamics and ribosome function. Hnrnpk is a ribonucleoprotein in charge of escorting nascent transcripts to its processing and nuclear export to ribosomes. When Hnrnpk is overexpressed, the nucleolus is altered and shows stress-like phenotype, with accumulation and delocalization of components such as Ncl, driving ribosome biogenesis impairment and halting protein translation. Nucleolin haploinsufficiency is correlated with enlarged nucleoli, increased ribosome components and translation and induces a reduction in lifespan. Thus, gain of Ncl generated by Hnrnpk overexpression can cause ribosome biogenesis defects associated with ribosome impairment leading to ribosomopathies and bone marrow failure syndrome. Aging and bone marrow failure share common biological hallmarks. Indeed, Hnrnpk overexpression and nucleolar stress trigger cell cycle arrest and senescence of the cells, a feature of both processes. Together, these findings support the idea that nucleolar abnormalities contribute to ribosome impairment, thus triggering the onset of hematopoiesis and the aging process. Here, we decipher a novel master regulator of this mechanism: Hnrnpk.

Full differentiation potential along with self-renewal capacity is a major property of pluripotent stem cells (PSCs). However, the differentiation capacity frequently decreases during expansion of PSCs in vitro. We show here that transient exposure to a single microRNA, expressed at early stages during normal development, improves the differentiation capacity of already-established murine and human PSCs. Short exposure to miR-203 in PSCs ( mi PSCs) results in expanded differentiation potency as well as improved efficiency in stringent assays such as tetraploid complementation and human-mouse interspecies chimerism. Mechanistically, these effects are mediated by direct repression of de novo DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b, leading to transient and reversible erasing of DNA methylation. As a proof of concept, miR-203 improves differentiation and maturation of PSCs into cardiomyocytes in vitro as well as cardiac regeneration in vivo, after cardiac injury. These data support the use of transient exposure to miR-203 as a general and single method to reset the epigenetic memory in PSCs, and improve their use in regenerative medicine.