Abstract Epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) is an important driver of tumor invasion and metastasis, which causes many cancer deaths. Cancer stem cells (CSC) that maintain and initiate tumors have also been implicated in invasion and metastasis, but whether EMT is an important contributor to CSC function is unclear. In this study, we investigated whether a population of CSCs that have undergone EMT (EMT CSCs) exists in squamous cell carcinoma (SCC). We also determined whether a separate population of CSCs that retain epithelial characteristics (non-EMT CSCs) is also present. Our studies revealed that self-renewing CSCs in SCC include two biologically-distinct phenotypes. One phenotype, termed CD44highESAhigh, was proliferative and retained epithelial characteristics (non-EMT CSCs), whereas the other phenotype, termed CD44highESAlow, was migratory and had mesenchymal traits characteristic of EMT CSCs. We found that non-EMT and EMT CSCs could switch their epithelial or mesenchymal traits to reconstitute the cellular heterogeneity which was characteristic of CSCs. However, the ability of EMT CSCs to switch to non-EMT character was restricted to cells that were also ALDH1+, implying that only ALDH1+ EMT cells had the ability to seed a new epithelial tumor. Taken together, our findings highlight the identification of two distinct CSC phenotypes and suggest a need to define therapeutic targets that can eradicate both of these variants to achieve effective SCC treatment. Cancer Res; 71(15); 5317–26. ©2011 AACR.

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.