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.

Cancer persister cells, which survive cytotoxic treatments, are shown to be sensitive to inhibition of the lipid hydroperoxidase GPX4. During cancer treatment, tumours can become drug-resistant. In addition, so-called persister cells can emerge and form a reservoir from which resistant cancer cells can originate. Persister cells are no longer sensitive to some drugs, but Michael McManus and colleagues now report that they exist in a mesenchymal state in which they are selectively sensitive to the inhibition of the lipid hydroperoxidase GPX4. Targeting GPX4 could therefore represent a new therapeutic avenue to potentially prevent drug resistance. Acquired drug resistance prevents cancer therapies from achieving stable and complete responses1. Emerging evidence implicates a key role for non-mutational drug resistance mechanisms underlying the survival of residual cancer ‘persister’ cells2,3,4. The persister cell pool constitutes a reservoir from which drug-resistant tumours may emerge. Targeting persister cells therefore presents a therapeutic opportunity to impede tumour relapse5. We previously found that cancer cells in a high mesenchymal therapy-resistant cell state are dependent on the lipid hydroperoxidase GPX4 for survival6. Here we show that a similar therapy-resistant cell state underlies the behaviour of persister cells derived from a wide range of cancers and drug treatments. Consequently, we demonstrate that persister cells acquire a dependency on GPX4. Loss of GPX4 function results in selective persister cell ferroptotic death in vitro and prevents tumour relapse in mice. These findings suggest that targeting of GPX4 may represent a therapeutic strategy to prevent acquired drug resistance.

The brain is a common site of metastatic disease in patients with breast cancer, which has few therapeutic options and dismal outcomes. The purpose of our study was to identify common and rare events that underlie breast cancer brain metastasis. We performed deep genomic profiling, which integrated gene copy number, gene expression and DNA methylation datasets on a collection of breast brain metastases. We identified frequent large chromosomal gains in 1q, 5p, 8q, 11q, and 20q and frequent broad-level deletions involving 8p, 17p, 21p and Xq. Frequently amplified and overexpressed genes included ATAD2, BRAF, DERL1, DNMTRB and NEK2A. The ATM, CRYAB and HSPB2 genes were commonly deleted and underexpressed. Knowledge mining revealed enrichment in cell cycle and G2/M transition pathways, which contained AURKA, AURKB and FOXM1. Using the PAM50 breast cancer intrinsic classifier, Luminal B, Her2+/ER negative, and basal-like tumors were identified as the most commonly represented breast cancer subtypes in our brain metastasis cohort. While overall methylation levels were increased in breast cancer brain metastasis, basal-like brain metastases were associated with significantly lower levels of methylation. Integrating DNA methylation data with gene expression revealed defects in cell migration and adhesion due to hypermethylation and downregulation of PENK, EDN3, and ITGAM. Hypomethylation and upregulation of KRT8 likely affects adhesion and permeability. Genomic and epigenomic profiling of breast brain metastasis has provided insight into the somatic events underlying this disease, which have potential in forming the basis of future therapeutic strategies.

Anatomically correct tumor genomics Glioblastoma is the most lethal form of human brain cancer. The genomic alterations and gene expression profiles characterizing this tumor type have been widely studied. Puchalski et al. created the Ivy Glioblastoma Atlas, a freely available online resource for the research community. The atlas, a collaborative effort between bioinformaticians and pathologists, maps molecular features of glioblastomas, such as transcriptional signatures, to histologically defined anatomical regions of the tumors. The relationships identified in this atlas, in conjunction with associated databases of clinical and genomic information, could provide new insights into the pathogenesis, diagnosis, and treatment of glioblastoma. Science , this issue p. 660

Astrocytomas often show high rates of local invasion that lead to local recurrence of the disease. Histologically, the most highly invasive astrocytoma cells are detected in isolation rather than as nests of tumor. Our study attempted to determine whether the migratory response to extracellular substrates influences the proliferative behavior of these highly invasive cells. The preferential and specific migratory response of human astrocytoma cells to extracellular matrix proteins was assessed by a microliter scale migration assay. Growth curve studies on protein ligands permissive (merosin) for cell migration indicated that the lag phase was protracted compared with cells seeded on non-permissive proteins (vitronectin). Once a certain cell density was reached, logarithmic proliferation was indistinguishable on the different proteins. The proliferation index of populations of cells migrating on merosin and vitronectin was measured by both BrdU incorporation and MIB-1 immunocytochemistry labeling. Cells seeded on vitronectin showed higher proliferation throughout the population than cells seeded on merosin. On merosin, the more migratory cells at the periphery were less proliferative than non-migratory cells in the central region of that population. The integrin-associated signal transduction protein, p125FAK, was heavily localized in the membrane of non-migrating cells and largely absent in migrating astrocytoma cells. We conclude that temporally, proliferation and migration are mutually exclusive behaviors. Cell density or non-permissive substrates that inhibit cell motility favor a more proliferative phenotype. Conversely, active migration suppresses cell proliferation.

Sex differences in the incidence and outcome of human disease are broadly recognized but, in most cases, not sufficiently understood to enable sex-specific approaches to treatment. Glioblastoma (GBM), the most common malignant brain tumor, provides a case in point. Despite well-established differences in incidence and emerging indications of differences in outcome, there are few insights that distinguish male and female GBM at the molecular level or allow specific targeting of these biological differences. Here, using a quantitative imaging-based measure of response, we found that standard therapy is more effective in female compared with male patients with GBM. We then applied a computational algorithm to linked GBM transcriptome and outcome data and identified sex-specific molecular subtypes of GBM in which cell cycle and integrin signaling are the critical determinants of survival for male and female patients, respectively. The clinical relevance of cell cycle and integrin signaling pathway signatures was further established through correlations between gene expression and in vitro chemotherapy sensitivity in a panel of male and female patient-derived GBM cell lines. Together, these results suggest that greater precision in GBM molecular subtyping can be achieved through sex-specific analyses and that improved outcomes for all patients might be accomplished by tailoring treatment to sex differences in molecular mechanisms.

SLC7A11, the catalytic subunit of the cystine/glutamate antiporter, System x c − (SXC), is up-regulated in a subpopulation of patient gliomas, where it is responsible for excitotoxic glutamate release, accelerated tumor growth, and tumor-associated seizures.

Abstract Background Neddylation (NAE) inhibition, affecting posttranslational protein function and turnover, is a promising therapeutic approach to cancer. We report cytotoxic vulnerability to NAE inhibitors in a subset of glioblastoma (GBM) preclinical models and identify genetic alterations and biological processes underlying differential response. Methods GBM DNA sequencing and transcriptomic data were queried for genes associated with response to NAE inhibition; candidates were validated by molecular techniques. Multi-omics and functional assays revealed processes implicated in NAE inhibition response. Results Transcriptomics and shotgun proteomics depict PTEN signaling, DNA replication, and DNA repair pathways as significant differentiators between sensitive and resistant models. Vulnerability to MLN4924, a NAE inhibitor, is associated with elevated S-phase populations, DNA re-replication, and DNA damage. In a panel of GBM models, loss of WT PTEN is associated with resistance to different NAE inhibitors. A NAE Inhibition Response Gene set could segregate the GBM cell lines that are most resistant to MLN4924. Conclusions Loss of WT PTEN is associated with non-sensitivity to three different compounds that inhibit NAE in GBM. A NAE Inhibition Response Gene Set largely consisting of DNA replication genes could segregate GBM cell lines most resistant to NAEi and may be the basis for future development of NAE inhibition signatures of vulnerability and clinical trial enrollment within a precision medicine paradigm.

Withdrawal Statement The authors have withdrawn their manuscript because the reported synergy of TOP2A inhibitors plus MLN4924 proved to be untrue (not reproducible). Therefore, the authors do not wish this work to be cited as reference for the project. If you have any questions, please contact the corresponding author ( mberens@tgen.org ).