Abstract Background Spatial transcriptomic technologies are powerful tools for resolving the spatial heterogeneity of gene expression in tissue samples. However, little evidence exists on relative strengths and weaknesses of the various available technologies for profiling human tumour tissue. In this study, we aimed to provide an objective assessment of two common spatial transcriptomics platforms, 10X Genomics’ Visium and Nanostring’s GeoMx DSP. Method The abilities of the DSP and Visium platforms to profile transcriptomic features were compared using matching cell line and primary breast cancer tissue samples. A head-to-head comparison was conducted using data generated from matching samples and synthetic tissue references. Platform specific features were also assessed according to manufacturers’ recommendations to evaluate the optimal usage of the two technologies. Results We identified substantial variations in assay design between the DSP and Visium assays such as transcriptomic coverage and composition of the transcripts detected. When the data was standardised according to manufacturers’ recommendations, the DSP platform was more sensitive in gene expression detection. However, its specificity was diminished by the presence of non-specific detection. Our results also confirmed the strength and weakness of each platform in characterising spatial transcriptomic features of tissue samples, in particular their application to hypothesis generation versus hypothesis testing. Conclusion In this study, we share our experience on both DSP and Visium technologies as end users. We hope this can guide future users to choose the most suitable platform for their research. In addition, this dataset can be used as an important resource for the development of new analysis tools.

Abstract Cancers evade the immune system in order to grow or metastasise through the process of cancer immunoediting. While immune checkpoint inhibitors have been effective for reactivating tumour immunity in some types of cancer, many other solid cancers, including breast cancer, remain largely non-responsive. Understanding the way non-responsive cancers evolve to evade immunity, what resistance pathways are activated and whether this occurs at the clonal level will improve immunotherapeutic design. We tracked cancer cell clones during the immunoediting process and determined clonal transcriptional profiles that allow immune evasion in murine mammary tumour growth in response to immunotherapy with anti-PD1 and anti-CTLA4. Clonal diversity was significantly restricted by immunotherapy treatment in both primary tumours and metastases. These findings demonstrate that immunoediting selects for pre-existing breast cancer cell populations and that immunoediting is not static, it is ongoing during metastasis and immunotherapy treatment. Isolation of immunotherapy resistant clones revealed unique and overlapping transcriptional signatures. The overlapping gene signature was associated with poor survival of basal-like breast cancer patients in two cohorts. At least one of these overlapping genes has an existing small molecule that can potentially be used to improve immunotherapy response.

Breast cancers display phenotypic and functional heterogeneity and several lines of evidence support the existence of cancer stem cells (CSCs) in certain breast cancers, a minor population of cells capable of tumor initiation and metastatic dissemination. Identifying factors that regulate the CSC phenotype is therefore important for developing strategies to treat metastatic disease. The Inhibitor of Differentiation Protein 1 (Id1) and its closely related family member Inhibitor of Differentiation 3 (Id3) (collectively termed Id) are expressed by a diversity of stem cells and are required for metastatic dissemination in experimental models of breast cancer. In this study, we show that ID1 is expressed in rare neoplastic cells within ER-negative breast cancers. To address the function of Id1 expressing cells within tumors, we developed two independent murine models of Triple Negative Breast Cancer (TNBC) in which a genetic reporter permitted the prospective isolation of Id1+ cells. Id1+ cells are enriched for self-renewal in tumorsphere assays in vitro and for tumor initiation in vivo . Conversely, depletion of Id1 and Id3 in the 4T1 murine model of TNBC demonstrates that Id1/3 are required for cell proliferation and self-renewal in vitro , as well as primary tumor growth and metastatic colonization of the lung in vivo . Using combined bioinformatic analysis, we have defined a novel mechanism of Id protein function via negative regulation of the Roundabout Axon Guidance Receptor Homolog 1 ( Robo1 ) leading to activation of a Myc transcriptional programme.* CSC : Cancer stem cell TNBC : Triple Negative Breast Cancer Id : Id1 and Id3

The cellular and molecular basis of stromal cell recruitment, activation and crosstalk in carcinomas is poorly understood, limiting the development of targeted anti-stromal therapies. In mouse models of triple negative breast cancer (TNBC), Hh ligand produced by neoplastic cells reprogrammed cancer-associated fibroblast (CAF) gene expression, driving tumor growth and metastasis. Hh-activated CAFs upregulated expression of FGF5 and production of fibrillar collagen, leading to FGFR and FAK activation in adjacent neoplastic cells, which then acquired a stem-like, drug-resistant phenotype. Treatment with smoothened inhibitors (SMOi) reversed these phenotypes. Stromal treatment of TNBC patient-derived xenograft (PDX) models with SMOi downregulated the expression of cancer stem cell markers and sensitized tumors to docetaxel, leading to markedly improved survival and reduced metastatic burden. In the phase I clinical trial EDALINE, 3 of 12 patients with metastatic TNBC derived clinical benefit from combination therapy with the SMOi Sonidegib and docetaxel chemotherapy, with one patient experiencing a complete response. Markers of pathway activity correlated with response. These studies identify Hh signaling to CAFs as a novel mediator of cancer stem cell plasticity and an exciting new therapeutic target in TNBC.

Basal-like breast cancer (BLBC) is a poorly characterised, heterogeneous disease. Patients are diagnosed with aggressive, high-grade tumours and often relapse with chemotherapy resistance. Detailed understanding of the molecular underpinnings of this disease is essential to the development of personalised therapeutic strategies. Inhibitor of Differentiation 4 (ID4) is a helix-loop-helix transcriptional regulator required for mammary gland development. ID4 is overexpressed in a subset of BLBC patients, associating with a stem-like poor prognosis phenotype, and is necessary for the growth of cell line models of BLBC, through unknown mechanisms. Here, we have defined a molecular mechanism of action for ID4 in BLBC and the related disease high-grade serous ovarian cancer (HGSOV), by combining RIME proteomic analysis and ChIP-Seq mapping of genomic binding sites. Remarkably, these studies have revealed novel interactions with DNA damage response proteins, in particular, mediator of DNA damage checkpoint protein 1 (MDC1). Through MDC1, ID4 interacts with other DNA repair proteins (γH2AX and BRCA1) at fragile chromatin sites. ID4 does not affect transcription at these sites, instead binding to chromatin following DNA damage and regulating DNA damage signalling. Clinical analysis demonstrates that ID4 is amplified and overexpressed at a higher frequency in BRCA1-mutant BLBC compared with sporadic BLBC, providing genetic evidence for an interaction between ID4 and DNA damage repair pathways. These data link the interactions of ID4 with MDC1 to DNA damage repair in the aetiology of BLBC and HGSOV.

Docetaxel and cabazitaxel are taxane chemotherapy treatments for metastatic castration resistant prostate cancer (CRPC). However, therapeutic resistance remains a major issue. MicroRNAs are short non-coding RNAs that can silence multiple genes, regulating several signalling pathways simultaneously. Therefore, synthetic microRNAs may have therapeutic potential in CRPC by regulating genes involved in taxane response and minimise compensatory mechanisms that cause taxane resistance. To identify microRNAs that can improve the efficacy of taxanes in CRPC, we performed a genome-wide screen of 1280 microRNAs in the CRPC cell lines PC3 and DU145 in combination with docetaxel or cabazitaxel treatment. Mimics of miR-217 and miR-181b-5p enhanced apoptosis significantly in PC3 cells in the presence of these taxanes. These mimics downregulated at least a thousand different transcripts, which were enriched for genes with cell proliferation and focal adhesion functions. Individual knockdown of a selection of 46 genes representing these transcripts resulted in toxic or taxane sensitisation effects, indicating that these genes may be mediating the effects of the microRNA mimics. A range of these genes are expressed in CRPC metastases, suggesting that these microRNA mimics may be functional in CRPC. With further development, these microRNA mimics may have therapeutic potential to improve taxane response in CRPC patients.