Abstract Single-cell RNA-seq (scRNA-seq) technologies have been broadly utilized to reveal molecular mechanisms of respiratory pathology and physiology at single-cell resolution. Here, we established single-cell meta-analysis (scMeta-analysis) by integrating data from 8 public datasets, including 104 lung scRNA-seq samples with clinicopathological information and designated a cigarette smoking lung atlas. The atlas revealed early carcinogenesis events and defined the alterations of single-cell transcriptomics, cell population, and fundamental properties of biological pathways induced by smoking. In addition, we developed two novel scMeta-analysis methods: VARIED (Visualized Algorithms of Relationships In Expressional Diversity) and AGED (Aging-related Gene Expressional Differences). VARIED analysis revealed expressional diversity associated with smoking carcinogenesis. AGED analysis revealed differences in gene expression related to both aging and smoking states. The scMeta-analysis pave the way to utilize publicly -available scRNA-seq data and provide new insights into the effects of smoking and into cellular diversity in human lungs, at single-cell resolution.

Abstract Gene expression analysis at the single-cell level by next generation sequencing has revealed the existence of clonal dissemination and microheterogeneity in cancer metastasis. The current spatial analysis technologies can elucidate the heterogeneity of cell–cell interactions in situ . To reveal the regional and expressional heterogeneity in primary tumors and metastases, we performed transcriptomic analysis of microtissues dissected from a triple-negative breast cancer (TNBC) cell line MDA-MB-231 xenograft model with our automated tissue microdissection punching technology. This multiple-microtissue transcriptome analysis revealed three cancer cell-type clusters in the primary tumor and axillary lymph node metastasis, two of which were cancer stem cell (CSC)-like clusters (CD44/MYC-high, HMGA1-high). Reanalysis of public single-cell RNA-seq (scRNA-seq) datasets confirmed that the two CSC-like populations existed both in TNBC xenograft models and TNBC patients. In addition, the gene signature of the HMGA1-high CSC-like cluster has the potential to serve as a novel biomarker for diagnosis. The diversity of these multiple CSC-like populations may cause differential anticancer drug resistance, increasing the difficulty of curing this cancer.

Extracellular signal-regulated kinase (ERK) regulates multiple cellular functions through distinct activation patterns. Genetically encoded fluorescent probes are instrumental in dissecting the ERK activity dynamics in living cells. Here we modified a previously reported Förster resonance energy transfer (FRET) probe for ERK, EKAREN5 by replacing its mTurquoise2 and YPet sequences with mTurquoise-GL and a synonymous codon variant of YPet, respectively. The modified biosensor, EKAREN5-gl showed an increased sensitivity to EGF-induced ERK activation responding to a very low dose (20 pg/ml) of EGF stimulation. We quantitatively characterized two FRET-based ERK probes, EKAREN5 and EKAREN5-gl, and a subcellular kinase translocation-based probe, ERK-KTR. We found the three biosensors differently respond to EGF stimulations with different intensity, duration, and latency. Furthermore, we investigated how the minimal EGF-induced ERK activation affects the downstream transcription in HeLa cells by comprehensive transcriptional analysis. We found the minimal ERK activation leads to a distinct transcriptional pattern from those induced by higher ERK activations. Our study highlights the significance of sensitive fluorescent probes to understand cellular signal dynamics and the role of minimal ERK activation in regulating transcription.Key words: fluorescent probe, ERK, FRET, KTR.

Abstract Luminal breast cancer has the highest bone metastasis frequency among all breast cancer subtypes, but its metastatic mechanism has not been elucidated because of the lack of appropriate metastatic cell lines. The study aim was to characterize high-osteolytic bone metastatic MCF7-BM cell lines and extract c-Jun, a novel bone metastasis marker. We found that c-Jun was upregulated in MCF7-BM cells, and its deficiency was associated with suppression of the cell migration, transformation, and stemness of BM cells. In vivo , c-Jun-deficient MCF7-TAM67 cells exhibited weaker bone metastatic ability. Additionally, c-Jun overexpression in MCF7-BM cells led to a tumor-migration promotion cycle in the bone microenvironment possibly by enhancing calcium-induced migration and releasing the osteoclast activator BMP5. Inhibition of c-Jun by JNK-IN-8, a JNK inhibitor, effectively reduced tumorigenesis activities and bone metastatic tumors. Our results indicate the potential benefits of a therapy that targets c-Jun to prevent or minimize luminal breast cancer bone metastasis.

Abstract Cancer cells secrete extracellular vesicles (EVs) to regulate cells in the tumor microenvironment to benefit their own growth and survive in the patient’s body. Although emerging evidence has demonstrated the molecular mechanisms of EV release, regulating cancer-specific EV secretion remains challenging. In this study, we applied a microRNA library to reveal the universal mechanisms of EV secretion from cancer cells. Here, we identified miR-891b and its direct target gene, phosphoserine aminotransferase 1 (PSAT1), which promotes EV secretion through the serine-ceramide synthesis pathway. Inhibition of PSAT1 affected EV secretion in multiple types of cancer, suggesting that the miR-891b/PSAT1 axis shares a common mechanism of EV secretion from cancer cells. Interestingly, aberrant PSAT1 expression also regulated cancer metastasis via EV secretion. Our data link between the PSAT1-controlled EV secretion mechanism and cancer metastasis and show the potential of this mechanism as a therapeutic target in multiple types of cancer.

Abstract Stimulator of interferon genes (STING) is critical for the type I interferon response to pathogen- or self-derived cytosolic DNA. STING is degraded by the endosomal sorting complexes required for transport (ESCRT)-driven lysosomal microautophagy (LMA), the impairment of which leads to sustained inflammatory responses. It has been unknown how ESCRT targets STING directly to lysosomes. Here, through kinase inhibitor screening and knockdown experiments of all the individual components of ESCRT, we show that STING degradation requires PIKfyve (a lipid kinase that generates PI(3,5)P 2 ) and CHMP4B/C (components of ESCRT-III subcomplex). Knockdown of Pikfyve or Chmp4b/c results in the accumulation of STING vesicles of a recycling endosomal origin in the cytosol, leading to sustained type I interferon response. CHMP4B/C localize at lysosomes and their lysosomal localization is abolished by interference with PIKfyve activity. Our results identify lysosomal ESCRT-III as a PI(3,5)P 2 effector, reveal a role of the less characterized phosphoinositide PI(3,5)P 2 in lysosomal biology, and provide insights into the molecular framework that distinguishes LMA from other cellular processes engaged with ESCRT.

Abstract Hypoxia-inducible factor 1 (HIF1) gene codes a transcription factor that is stabilized under hypoxia conditions via post-translational modifications. HIF1 regulates tumor malignancy and metastasis by gene transcriptions, such as Warburg effect- and angiogenesis-related genes, in cancer cells. However, the HIF1 downstream genes show varied expressional patterns in different cancer types. Herein, we performed the hierarchical clustering based on the HIF1 downstream gene expression patterns using 1,406 cancer cell lines crossing 30 types of cancer to understand the relationship between HIF1 downstream genes and the metastatic potential of cancer cell lines. Four types of cancer were classified by HIF1 downstream genes with significantly altered metastatic potentials. Furthermore, different HIF1 downstream gene subsets were extracted to discriminate each subtype for the four cancer types. HIF1 downstream subtyping classification will help understand the novel insight into tumor malignancy and metastasis in each cancer type. Funding This work was supported by Project for JSPS KAKENHI (Grant-in-Aid for Scientific Research (C): JP23K06665 to JN, Grant-in-Aid for Early-Carrier Scientists: JP21K15562 to JN), and in part by translational research program from Fukushima Prefecture (KS). Competing Interests statement The authors have declared that no conflict of interest exists.

Abstract The homeobox family genes are often dysregulated in a various cancer type. Particularly HOXB7 amplification and overexpression correlate with poor prognosis in various cancer such as gastric, pancreatic, and lung cancers. Moreover, HOXB7 is known to contribute to cancer progression by promoting epithelial to mesenchymal transition, anti-cancer drug resistance, and angiogenesis. In this study, we show that HOXB7 is coamplified with ERBB2 in a subset of breast cancer patients and HOXB7 expression correlates with poor prognosis in HER2-positive breast cancer patients. This clinical observation is supported by the following results: HOXB7 overexpression in an immortalized murine mammary gland epithelial cell line NMuMG induces cellular transformation in vitro , tumorigenesis and lung metastasis through the activation of JAK-STAT signaling.

Abstract Post-translational modifications and mRNA translation are frequently altered in human cancers. However, investigations to understand their roles in the cancer progression mechanism remain insufficient. In this research, we explored protein levels altered by translational or post-translational regulation by analyzing transcriptome and western blotting data of the highly malignant breast cancer cell lines. From these analyses, NIK was found to be upregulated at the protein level to predominantly activate the non-canonical NF-κB pathway in a breast cancer cell line. Furthermore, the increase in NIK protein production was attributed to the dysregulation of ubiquitin-proteasome system caused by a decrease in the translation of cIAP1. NIK upregulation contributed to tumorigenicity by regulating the expression of inflammatory response-related genes. Collectively, our study suggests that NIK is post-translationally modified and has the potential to be a therapeutic target and diagnostic marker for breast cancer.

Cancer cells secrete extracellular vesicles (EVs) to regulate cells in the tumor microenvironment to benefit their own growth and survive in the patient's body. Although emerging evidence has demonstrated the molecular mechanisms of EV release, regulating cancer-specific EV secretion remains challenging. In this study, we applied a microRNA library to reveal the universal mechanisms of EV secretion from cancer cells. Here, we identified miR-891b and its direct target gene, phosphoserine aminotransferase 1 (PSAT1), which promotes EV secretion through the serine-ceramide synthesis pathway. Inhibition of PSAT1 affected EV secretion in multiple types of cancer, suggesting that the miR-891b/PSAT1 axis shares a common mechanism of EV secretion from cancer cells. Interestingly, aberrant PSAT1 expression also regulated cancer metastasis via EV secretion. Our data link the PSAT1-controlled EV secretion mechanism and cancer metastasis and show the potential of this mechanism as a therapeutic target in multiple types of cancer.