Therapy-resistant cancer cell states identified across diverse contexts are selectively vulnerable to ferroptotic cell death induced by inhibition of lipid peroxidase pathways converging on GPX4. Cancer cells can assume different biological states, which can affect their resistance to therapies. A mesenchymal phenotype has been associated with drug resistance but the mechanism behind this state is not well understood. Stuart Schreiber and colleagues now show that tumour cells with a mesenchymal phenotype are selectively sensitive to inhibition of GPX4, an enzyme that alters lipid metabolism. GPX4 dissipates lipid peroxides and therefore prevents the iron-mediated reactions which induce ferroptotic cell death. These findings offer new perspectives on targeting cancers that have undergone a transition to a mesenchymal state to evade other therapeutic agents. Plasticity of the cell state has been proposed to drive resistance to multiple classes of cancer therapies, thereby limiting their effectiveness1,2,3,4. A high-mesenchymal cell state observed in human tumours and cancer cell lines has been associated with resistance to multiple treatment modalities across diverse cancer lineages, but the mechanistic underpinning for this state has remained incompletely understood1,2,3,4,5,6. Here we molecularly characterize this therapy-resistant high-mesenchymal cell state in human cancer cell lines and organoids and show that it depends on a druggable lipid-peroxidase pathway that protects against ferroptosis, a non-apoptotic form of cell death induced by the build-up of toxic lipid peroxides7,8. We show that this cell state is characterized by activity of enzymes that promote the synthesis of polyunsaturated lipids. These lipids are the substrates for lipid peroxidation by lipoxygenase enzymes8,9. This lipid metabolism creates a dependency on pathways converging on the phospholipid glutathione peroxidase (GPX4), a selenocysteine-containing enzyme that dissipates lipid peroxides and thereby prevents the iron-mediated reactions of peroxides that induce ferroptotic cell death8. Dependency on GPX4 was found to exist across diverse therapy-resistant states characterized by high expression of ZEB1, including epithelial–mesenchymal transition in epithelial-derived carcinomas, TGFβ-mediated therapy-resistance in melanoma, treatment-induced neuroendocrine transdifferentiation in prostate cancer, and sarcomas, which are fixed in a mesenchymal state owing to their cells of origin. We identify vulnerability to ferroptic cell death induced by inhibition of a lipid peroxidase pathway as a feature of therapy-resistant cancer cells across diverse mesenchymal cell-state contexts.

BRAF inhibitors such as vemurafenib have shown promising effects in patients with BRAF-mutant melanomas, but the tumours generally develop resistance; vemurafenib-resistant melanomas are now shown to be drug dependent, and an intermittent dosing schedule can help prevent drug resistance. Although BRAF inhibitors such as vemurafenib have shown very promising effects in patients with BRAF-mutant melanomas, these tumours generally develop resistance. To understand the causes and consequences of this resistance, Meghna Das Thakur et al. investigate the response of patient-derived melanomas, grafted in mice, to vemurafenib. Paradoxically, they find that in these mouse models, vemurafenib-resistant melanomas become drug dependent, such that drug discontinuation leads to tumour regression. On the basis of these results, they demonstrate that an intermittent dosing schedule can prevent the development of drug resistance. Although the clinical relevance of these findings remains to be determined, this work suggests that vemurafenib efficacy might be improved by intermittent dosing. Mutational activation of BRAF is the most prevalent genetic alteration in human melanoma, with ≥50% of tumours expressing the BRAF(V600E) oncoprotein1,2. Moreover, the marked tumour regression and improved survival of late-stage BRAF-mutated melanoma patients in response to treatment with vemurafenib demonstrates the essential role of oncogenic BRAF in melanoma maintenance3,4. However, as most patients relapse with lethal drug-resistant disease, understanding and preventing mechanism(s) of resistance is critical to providing improved therapy5. Here we investigate the cause and consequences of vemurafenib resistance using two independently derived primary human melanoma xenograft models in which drug resistance is selected by continuous vemurafenib administration. In one of these models, resistant tumours show continued dependency on BRAF(V600E)→MEK→ERK signalling owing to elevated BRAF(V600E) expression. Most importantly, we demonstrate that vemurafenib-resistant melanomas become drug dependent for their continued proliferation, such that cessation of drug administration leads to regression of established drug-resistant tumours. We further demonstrate that a discontinuous dosing strategy, which exploits the fitness disadvantage displayed by drug-resistant cells in the absence of the drug, forestalls the onset of lethal drug-resistant disease. These data highlight the concept that drug-resistant cells may also display drug dependency, such that altered dosing may prevent the emergence of lethal drug resistance. Such observations may contribute to sustaining the durability of the vemurafenib response with the ultimate goal of curative therapy for the subset of melanoma patients with BRAF mutations.

Many patients with advanced cancers achieve dramatic responses to a panoply of therapeutics yet retain minimal residual disease (MRD), which ultimately results in relapse. To gain insights into the biology of MRD, we applied single-cell RNA sequencing to malignant cells isolated from BRAF mutant patient-derived xenograft melanoma cohorts exposed to concurrent RAF/MEK-inhibition. We identified distinct drug-tolerant transcriptional states, varying combinations of which co-occurred within MRDs from PDXs and biopsies of patients on treatment. One of these exhibited a neural crest stem cell (NCSC) transcriptional program largely driven by the nuclear receptor RXRG. An RXR antagonist mitigated accumulation of NCSCs in MRD and delayed the development of resistance. These data identify NCSCs as key drivers of resistance and illustrate the therapeutic potential of MRD-directed therapy. They also highlight how gene regulatory network architecture reprogramming may be therapeutically exploited to limit cellular heterogeneity, a key driver of disease progression and therapy resistance.

Intercellular protein movement plays a critical role in animal and plant development. SHORTROOT (SHR) is a moving transcription factor essential for endodermis specification in the Arabidopsis root. Unlike diffusible animal morphogens, which form a gradient across multiple cell layers, SHR movement is limited to essentially one cell layer. However, the molecular mechanism is unknown. We show that SCARECROW (SCR) blocks SHR movement by sequestering it into the nucleus through protein-protein interaction and a safeguard mechanism that relies on a SHR/SCR-dependent positive feedback loop for SCR transcription. Our studies with SHR and SCR homologs from rice suggest that this mechanism is evolutionarily conserved, providing a plausible explanation why nearly all plants have a single layer of endodermis.

During the development of multicellular organisms, organogenesis and pattern formation depend on formative divisions to specify and maintain pools of stem cells. In higher plants, these activities are essential to shape the final root architecture because the functioning of root apical meristems and the de novo formation of lateral roots entirely rely on it. We used transcript profiling on sorted pericycle cells undergoing lateral root initiation to identify the receptor-like kinase ACR4 of Arabidopsis as a key factor both in promoting formative cell divisions in the pericycle and in constraining the number of these divisions once organogenesis has been started. In the root tip meristem, ACR4 shows a similar action by controlling cell proliferation activity in the columella cell lineage. Thus, ACR4 function reveals a common mechanism of formative cell division control in the main root tip meristem and during lateral root initiation.

SUMMARY In melanoma, transcriptional profiling has revealed multiple co-existing cell states, including proliferative versus invasive sub-populations that have been posited to represent a “go or grow” tradeoff. Both of these populations are maintained in tumors, but how they physically interact to promote metastasis is unknown. We demonstrate that these subpopulations form spatially structured heterotypic clusters that cooperate in the seeding of metastasis. We unexpectedly found that INV cells were tightly adherent to each other, and formed clusters with a rim of PRO cells. Intravital imaging demonstrated cooperation between these populations, in which the INV cells facilitated the spread of less metastatic PRO cells. We identified the TFAP2 neural crest transcription factor as a master regulator of both clustering and the PRO/INV states. Our data suggest a framework for the co-existence of these two divergent cell populations, in which differing cell states form heterotypic clusters that promote metastasis via cell-cell cooperation.

Acral melanoma is an aggressive type of melanoma with unknown origins. It is the most common type of melanoma in individuals with dark skin and is notoriously challenging to treat. We examine exome sequencing data of 139 tissue samples, spanning different progression stages, from 37 patients. We find that 78.4% of the melanomas display clustered copy number transitions with focal amplifications, recurring predominantly on chromosomes 5, 11, 12, and 22. These complex genomic aberrations are typically shared across all progression stages of individual patients. TERT activating alterations also arise early, whereas MAP-kinase pathway mutations appear later, an inverted order compared to the canonical evolution. The punctuated formation of complex aberrations and early TERT activation suggest a unique mutational mechanism that initiates acral melanoma. The marked intratumoral heterogeneity, especially concerning MAP-kinase pathway mutations, may partly explain the limited success of therapies for this melanoma subtype.

Abstract The microphthalmia associated transcription factor (MITF) is a critical regulator of melanocyte development and differentiation. It also plays an important role in melanoma where it has been described as a molecular rheostat that, depending on activity levels, allows reversible switching between different cellular states. Here we show that MITF directly represses the expression of genes associated with the extracellular matrix (ECM) and focal adhesion pathways in human melanoma cells as well as of regulators of epithelial to mesenchymal transition (EMT) such as CDH2, thus affecting cell morphology and cell-matrix interactions. Importantly, we show that these effects of MITF are reversible, as expected from the rheostat model. The number of focal adhesion points increased upon MITF knockdown, a feature observed in drug resistant melanomas. Cells lacking MITF are similar to the cells of minimal residual disease observed in both human and zebrafish melanomas. Our results suggest that MITF plays a critical role as a repressor of gene expression and is actively involved in shaping the microenvironment of melanoma cells in a cell-autonomous manner.

Summary Suspension and imaging mass cytometry are single-cell, proteomic-based methods used to characterize tissue composition and structure. Data assessing the consistency of these methods over an extended period of time are still sparse and are needed if mass cytometry-based methods are to be used clinically. Here, we present experimental and computational pipelines developed within the Tumor Profiler clinical study, an observational clinical trial assessing the relevance of cutting-edge technologies in guiding treatment decisions for advanced cancer patients. By using aliquots of frozen antibody panels, batch effects between independent experiments performed within a time frame of one year were minimized. The inclusion of well-characterized reference samples allowed us to assess and correct for batch effects. A systematic evaluation of a test tumor sample analyzed in each run showed that our batch correction approach consistently reduced signal variations. We provide an exemplary analysis of a representative patient sample including an overview of data provided to clinicians and potential treatment suggestions. This study demonstrates that standardized suspension and imaging mass cytometry measurements generate robust data that meet clinical requirements for reproducibility and provide oncologists with valuable insights on the biology of patient tumors.

Immune checkpoint inhibitors are standard-of-care for the treatment of advanced melanoma, but their use is limited by immune-related adverse events. Proteomic analyses and multiplex cytokine and chemokine assays from serum at baseline and at the adverse event onset indicated aberrant T cell activity with differential expression of type I and III immune signatures. This was in line with the finding of an increase in the proportion of CD4