We report for the first time the successful maintenance and growth of human hair follicles in vitro. Human anagen hair follicles were isolated by microdissection from human scalp skin. Isolation of the hair follicles was achieved by cutting the follicle at the dermo-subcutaneous fat interface using a scalpel blade. Intact hair follicles were then removed from the fat using watchmakers' forceps. Isolated hair follicles maintained free-floating in supplemented Williams E medium in individual wells of 24-well multiwell plates showed a significant increase in length over 4 days. The increase in length was seen to be attributed to the production of a keratinised hair shaft, and was not associated with the loss of hair follicle morphology. [methyl-3H]thymidine autoradiography confirmed that in vitro the in vivo pattern of DNA synthesis was maintained; furthermore, [35S]methionine labelling of keratins showed that their patterns of synthesis did not change with maintenance. The importance of this model to hair follicle biology is further demonstrated by the observations that TGF-beta 1 has a negative growth-regulatory effect on hair follicles in vitro and that EGF mimics the in vivo depilatory effects that have been reported in sheep and mice.

Abstract Senescence classification is an acknowledged challenge within the field, as markers are cell-type and context dependent. Currently, multiple morphological and immunofluorescence markers are required for senescent cell identification. However, emerging scRNA-seq datasets have enabled increased understanding of the heterogeneity of senescence. Here we present SenPred, a machine-learning pipeline which can identify senescence based on single-cell transcriptomics. Using scRNA-seq of both 2D and 3D deeply senescent fibroblasts, the model predicts intra-experimental and inter-experimental fibroblast senescence to a high degree of accuracy (>99% true positives). We position this as a proof-of-concept study, with the goal of building a holistic model to detect multiple senescent subtypes. Importantly, utilising scRNA-seq datasets from deeply senescent fibroblasts grown in 3D refines our ML model leading to improved detection of senescent cells in vivo. This has allowed for detection of an in vivo senescent cell burden, which could have broader implications for the treatment of age-related morbidities.

Summary Senescence, a state of stable growth arrest, plays an important role in ageing and age-related diseases in vivo . Although the INK4/ARF locus is known to be essential for senescence programs, the key regulators driving p16 and ARF transcription remain largely underexplored. Using siRNA screening for modulators of the p16/pRB and ARF/p53/p21 pathways in deeply senescent human mammary epithelial cells (DS HMECs) and fibroblasts (DS HMFs), we identified EGR2 as a novel regulator of senescence. EGR2 expression is up-regulated during senescence and its ablation by siRNA in DS HMECs and HMFs transiently reverses the senescent phenotype. We demonstrate that EGR2 activates the ARF and p16 promoters and directly binds to the ARF promoter. Loss of EGR2 downregulates p16 levels and increases the pool of p16- p21- ‘reversed’ cells in the population. Moreover, EGR2 overexpression is sufficient to induce senescence. Our data suggest that EGR2 is a regulator of the p16/pRB and direct transcriptional activator of the ARF/p53/p21 pathways in senescence and a novel marker of senescence.

Cancer stem cells undergo epithelial-mesenchymal transition (EMT) to drive metastatic dissemination in experimental cancer models. However, tumour cells undergoing EMT have not been observed disseminating into the tissue surrounding human tumour specimens, leaving the relevance to human cancer uncertain. Here, we identify an EMT stem cell state that retains EpCAM and CD24 after undergoing EMT and exhibits enhanced plasticity. This afforded the opportunity to investigate whether retention of EpCAM and CD24 alongside upregulation of the EMT marker Vimentin can identify disseminating EMT stem cells in human oral cancer specimens. Examining disseminating tumour cells in the stromal region of 3500 imaging fields from 24 human oral cancer specimens, evenly divided into metastatic and non-metastatic specimens, we see a significant enrichment of EpCAM, CD24 and Vimentin co-stained cells in metastatic specimens. Through training an artificial neural network on the EpCAM, CD24 and Vimentin co-staining, we predict metastasis with high accuracy (F1 0.91; AUC 0.87). We have observed, for the first time, disseminating EMT stem cells in patient histological specimens and demonstrated their utility for predicting metastatic disease.

Re-engaging the senescent programme represents an attractive yet underexplored strategy for cancer therapy, particularly for those tumour subtypes where targeted agents are limited or unavailable. Here, we identify a specific subset of ribosomal proteins as novel pro-senescence therapeutic targets for a highly aggressive subtype of breast cancer, p16 positive basal-like breast cancer. Mechanistically, ribosomal stress-induced senescence generates a stable cell cycle arrest, is dependent on endogenous p16 triggering a re-sensitisation to the p16/RB tumour suppressor axis, followed by establishment of a senescence-associated secretory phenotype, and is independent of DNA damage. Conversely, ribosomal protein knockdown in a p16 negative breast cancer model results in caspase-mediated apoptosis. Importantly, individual ribosomal protein loss is well tolerated by a panel of normal human cells. We demonstrate a reciprocal feedback loop between loss of RPS3A and RPS7 at both the transcriptional and post-transcriptional level during ribosomal stress-induced senescence. Further, our ribosomal hits are co-ordinately dysregulated in breast cancer, with elevated expression associated with a poor prognosis. Clinical relevance is demonstrated in tissue microarrays, and a RPS3AHIGHRPS7HIGH signature is associated with an earlier disease onset and synergises with p16 to further worsen patient outcome. We conclude that dysregulation of ribosomal proteins constitutes a cancer cell-specific mechanism of senescence evasion and that engaging ribosomal stress-induced senescence may be relevant for future pro-senescence therapies.

Abstract An important role for phenotype switching has been demonstrated in metastasis and therapeutic resistance of both melanoma and epithelial tumours. Phenotype switching in epithelial tumours is driven by a minority cancer stem cell sub-population with lineage plasticity, but such a sub-population has not been identified in melanoma. We investigated whether cell surface markers used to identify cancer stem cells in epithelial tumours could help to identify a cancer stem cell sub-population with lineage plasticity in melanoma. We identified a CD24+CD271+ minority sub-population in melanoma that possesses enhanced stem cell characteristics and lineage plasticity. We further found that that, unlike in epithelial tumours, more differentiated sub-populations in melanoma also possessed these attributes to a lesser extent. The CD24+CD271+ stem cell sub-population was observed in only 10% of human melanomas, mainly at the invasive front. The lack of this stem cell sub-population in the majority of human melanoma specimens led us to conclude that it may not be required for melanoma progression. This may be due to the observed diffuse nature of stem cell characteristics in melanoma. However, the enhanced self-renewal, lineage plasticity, invasive ability and drug resistance of the CD24+CD271+ sub-population may signal a contextual requirement for these stem cells when melanomas face challenging environments both in clinical melanoma and in experimental systems.