Abstract Constitutively active estrogen receptor-α (ER/ ESR1 ) mutations have been identified in approximately one third of ER+ metastatic breast cancer. Although these mutations are known mediators of endocrine resistance, their potential role in promoting metastatic disease has not yet been mechanistically addressed. In this study, we show the presence of ESR1 mutations exclusively in distant, but not local recurrences. In concordance with transcriptomic profiling of ESR1 mutant tumors, genome-edited Y537S and D538G cell models have a reprogrammed cell adhesive gene network via alterations in desmosome/gap junction genes and the TIMP3/MMP axis, which functionally confers enhanced cell-cell contacts while decreased cell-ECM adhesion. Context-dependent migratory phenotypes revealed co-targeting of Wnt and ER as vulnerability. Mutant ESR1 exhibits non-canonical regulation of several metastatic pathways including secondary transactivation and de novo FOXA1-driven chromatin remodeling. Collectively, our data supports evidence for ESR1 mutation-driven metastases and provides insight for future preclinical therapeutic strategies. Significance Context and allele-dependent transcriptome and cistrome reprogramming in genome-edited ESR1 mutation cell models elicit diverse metastatic phenotypes, including but not limited to alterations in cell adhesion and migration. The gain-of-function mutations can be pharmacologically targeted, and thus may be key components of novel therapeutic treatment strategies for ER-mutant metastatic breast cancer.

Abstract As one of the most successful cancer therapeutic targets, estrogen receptor-α (ER/ESR1) has been extensively studied in decade-long. Sequencing technological advances have enabled genome-wide analysis of ER action. However, reproducibility is limited by different experimental design. Here, we established the EstroGene database through centralizing 246 experiments from 136 transcriptomic, cistromic and epigenetic datasets focusing on estradiol-treated ER activation across 19 breast cancer cell lines. We generated a user-friendly browser ( https://estrogene.org/ ) for data visualization and gene inquiry under user-defined experimental conditions and statistical thresholds. Notably, documentation-based meta-analysis revealed a considerable lack of experimental details. Comparison of independent RNA-seq or ER ChIP-seq data with the same design showed large variability and only strong effects could be consistently detected. We defined temporal estrogen response metasignatures and showed the association with specific transcriptional factors, chromatin accessibility and ER heterogeneity. Unexpectedly, harmonizing 146 transcriptomic analyses uncovered a subset of E2-bidirectionally regulated genes, which linked to immune surveillance in the clinical setting. Furthermore, we defined context dependent E2 response programs in MCF7 and T47D cell lines, the two most frequently used models in the field. Collectively, the EstroGene database provides an informative resource to the cancer research community and reveals a diverse mode of ER signaling.

Abstract No Special Type breast cancer (NST; commonly known as Invasive Ductal Carcinoma (IDC)) and Invasive Lobular Carcinoma (ILC) are the two major histological subtypes of breast cancer with significant differences in clinicopathological and molecular characteristics. The defining pathognomonic feature of ILC is loss of cellular adhesion protein, E-cadherin ( CDH1 ). We have previously shown that E-cadherin functions as a negative regulator of the Insulin-like Growth Factor 1 Receptor (IGF1R) and propose that E-cadherin loss in ILC sensitizes cells to growth factor signaling which thus alters their sensitivity to growth factor signaling inhibitors and their downstream activators. To investigate this potential therapeutic vulnerability, we generated CRISPR-mediated CDH1 knockout ( CDH1 KO) IDC cell lines (MCF7, T47D, ZR75.1) to uncover the mechanism by which loss of E-cadherin results in IGF pathway activation. CDH1 KO cells demonstrated enhanced invasion and migration that was further elevated in response to IGF1, serum and Collagen I. CDH1 KO cells exhibited increased sensitivity to IGF resulting in elevated downstream signaling. Despite minimal differences in membranous IGF1R levels between wildtype (WT) and CDH1 KO cells, significantly higher ligand-receptor interaction was observed in the CDH1 KO cells, potentially conferring enhanced downstream signaling activation. Critically, increased sensitivity to IGF1R, PI3K, Akt and MEK inhibitors was observed in CDH1 KO cells and ILC patient-derived organoids, suggesting that these targets require further exploration in ILC treatment and that CDH1 loss may be exploited as a biomarker of response for patient stratification.

Abstract Breast cancer is a leading cause of female mortality and despite advancements in diagnostics and personalized therapeutics, metastatic disease largely remains incurable due to drug resistance. Fortunately, identification of mechanisms of therapeutic resistance have rapidly transformed our understanding of cancer evasion and is enabling targeted treatment regimens. When the druggable estrogen receptor (ER, ESR1 ), expressed in two-thirds of all breast cancer, is exposed to endocrine therapy, there is risk of somatic mutation development in approximately 30% of cases and subsequent treatment resistance. A more recently discovered mechanism of ER mediated endocrine resistance is the expression of ER fusion proteins. ER fusions, which retain the protein’s DNA binding domain, harbor ESR1 exons 1-6 fused to an in-frame gene partner resulting in loss of the 3’ ER ligand binding domain (LBD). In this report we demonstrate that in no-special type (NST) and invasive lobular carcinoma (ILC) cell line models, ER fusion proteins exhibit robust hyperactivation of canonical ER signaling pathways independent of the ligand estradiol or anti-endocrine therapies such as Fulvestrant and Tamoxifen. We employ cell line models stably overexpressing ER fusion proteins with concurrent endogenous ER knockdown to minimize the influence of endogenous wildtype ER. Cell lines exhibited shared transcriptomic enrichment in pathways known to be drivers of metastatic disease, notably the MYC pathway. The heterogeneous 3’ fusion partners, particularly transcription factors SOX9 and YAP1 , evoked varying degrees of transcriptomic and cistromic activity that translated into unique phenotypic readouts. Herein we report that cell line activity is subtype-, fusion-, and assay-specific suggesting that the loss of the LBD, the 3’ fusion partner, and the cellular landscape all influence fusion activity. Therefore, it will be critical to generate additional data on frequency of the ER fusions, in the context of the clinicopathological features of the tumor. Significance ER fusion proteins exhibit diverse mechanisms of endocrine resistance in breast cancer cell lines representing the no special type (NST) and invasive lobular cancer (ILC) subtypes. Our emphasize upon both the shared and unique cellular adaptations imparted by ER fusions offers the foundation for further translational research and clinical decision making.