To learn more about cancer-associated fibroblasts (CAFs), we have isolated fibroblasts from different stages of breast cancer progression and analysed their function and gene expression. These analyses reveal that activation of the YAP transcription factor is a signature feature of CAFs. YAP function is required for CAFs to promote matrix stiffening, cancer cell invasion and angiogenesis. Remodelling of the ECM and promotion of cancer cell invasion requires the actomyosin cytoskeleton. YAP regulates the expression of several cytoskeletal regulators, including ANLN and DIAPH3, and controls the protein levels of MYL9 (also known as MLC2). Matrix stiffening further enhances YAP activation, thus establishing a feed-forward self-reinforcing loop that helps to maintain the CAF phenotype. Actomyosin contractility and Src function are required for YAP activation by stiff matrices. Further, transient ROCK inhibition is able to disrupt the feed-forward loop, leading to a long-lasting reversion of the CAF phenotype. Sahai and colleagues report that YAP is required for the establishment and function of cancer-associated fibroblasts. They propose that matrix stiffening promotes Src-mediated activation of YAP in fibroblasts, which is necessary for the cancer-associated fibroblast phenotype and further promotes matrix stiffening in a positive feedback loop.

In vivo imaging of mammary carcinoma cells reveals that activation of a TGFβ-induced transcriptional response induces the motility of individual cells, allowing them to spread through the blood stream. In the absence of TGFβ, cells migrate as groups and can only metastasize through the lymphatic system. Here we use intravital imaging to demonstrate a reversible transition to a motile state as breast cancer cells spread. Imaging primary tumours revealed heterogeneity in cell morphology and motility. Two distinct modes of motility were observed: collective and single-celled. By monitoring the localization of Smad2 and the activity of a TGFβ-dependent reporter gene during breast cancer cell dissemination, we demonstrate that TGFβ signalling is transiently and locally activated in motile single cells. TGFβ1 switches cells from cohesive to single cell motility through a transcriptional program involving Smad4, EGFR, Nedd9, M-RIP, FARP and RhoC. Blockade of TGFβ signalling prevented cells moving singly in vivo but did not inhibit cells moving collectively. Cells restricted to collective invasion were capable of lymphatic invasion but not blood-borne metastasis. Constitutive TGFβ signalling promoted single cell motility and intravasation but reduced subsequent growth in the lungs. Thus, transient TGFβ signalling is essential for blood-borne metastasis.

Intravital imaging of BRAF-mutant melanoma cells containing an ERK/MAPK biosensor reveals how the tumor microenvironment affects response to BRAF inhibition by PLX4720. Initially, melanoma cells respond to PLX4720, but rapid reactivation of ERK/MAPK is observed in areas of high stromal density. This is linked to “paradoxical” activation of melanoma-associated fibroblasts by PLX4720 and the promotion of matrix production and remodeling leading to elevated integrin β1/FAK/Src signaling in melanoma cells. Fibronectin-rich matrices with 3–12 kPa elastic modulus are sufficient to provide PLX4720 tolerance. Co-inhibition of BRAF and FAK abolished ERK reactivation and led to more effective control of BRAF-mutant melanoma. We propose that paradoxically activated MAFs provide a “safe haven” for melanoma cells to tolerate BRAF inhibition.

Summary

 Proinflammatory cytokines are frequently observed in the tumor microenvironment, and chronic inflammation is involved in cancer initiation and progression. We show that cytokine signaling through the receptor subunit GP130-IL6ST and the kinase JAK1 generates actomyosin contractility through Rho-kinase dependent signaling. This pathway generates contractile force in stromal fibroblasts to remodel the extracellular matrix to create tracks for collective migration of squamous carcinoma cells and provides the high levels of actomyosin contractility required for migration of individual melanoma cells in the rounded, "amoeboid" mode. Thus, cytokine signaling can generate actomyosin contractility in both stroma and tumor cells. Strikingly, actomyosin contractility itself positively modulates activity of the transcription factor STAT3 downstream of JAK1, demonstrating positive feedback within the signaling network.

Collective cell migration occurs in a range of contexts: cancer cells frequently invade in cohorts while retaining cell-cell junctions. Here we show that collective invasion by cancer cells depends on decreasing actomyosin contractility at sites of cell-cell contact. When actomyosin is not downregulated at cell-cell contacts, migrating cells lose cohesion. We provide a molecular mechanism for this downregulation. Depletion of discoidin domain receptor 1 (DDR1) blocks collective cancer-cell invasion in a range of two-dimensional, three-dimensional and 'organotypic' models. DDR1 coordinates the Par3/Par6 cell-polarity complex through its carboxy terminus, binding PDZ domains in Par3 and Par6. The DDR1-Par3/Par6 complex controls the localization of RhoE to cell-cell contacts, where it antagonizes ROCK-driven actomyosin contractility. Depletion of DDR1, Par3, Par6 or RhoE leads to increased actomyosin contactility at cell-cell contacts, a loss of cell-cell cohesion and defective collective cell invasion.

Abstract Cancers, such as squamous cell carcinoma, frequently invade as multicellular units. However, these invading units can be organized in a variety of ways, ranging from thin discontinuous strands to thick ‘pushing’ collectives. Here we employ an integrated experimental and computational approach to identify the factors that determine the mode of collective cancer cell invasion. We find that matrix proteolysis is linked to the formation of wide strands, but has little effect on the maximum extent of invasion. Cell-cell junctions also favour wide strands, but our analysis also reveals a requirement for cell-cell junctions for efficient invasion in response to uniform directional cues. Unexpectedly, the ability to generate wide invasive strands is coupled to the ability to grow effectively when surrounded by ECM in 3D assays. Combinatorial perturbation of both matrix proteolysis and cell-cell adhesion demonstrates that the most aggressive cancer behaviour, both in terms of invasion and growth, is achieved at high levels of cell-cell adhesion and high levels of proteolysis. Contrary to expectation, cells with canonical mesenchymal traits – no cell-cell junctions and high proteolysis – exhibit reduced growth and lymph node metastasis. Thus, we conclude that the ability of squamous cell carcinoma cells to invade effectively is also linked to their ability to generate space for proliferation in confined contexts. These data provide an explanation for the apparent advantage of retaining cell-cell junctions in SCC.