The intratumor microenvironment generates phenotypically distinct but interconvertible malignant cell subpopulations that fuel metastatic spread and therapeutic resistance. Whether different microenvironmental cues impose invasive or therapy-resistant phenotypes via a common mechanism is unknown. In melanoma, low expression of the lineage survival oncogene microphthalmia-associated transcription factor (MITF) correlates with invasion, senescence, and drug resistance. However, how MITF is suppressed in vivo and how MITF-low cells in tumors escape senescence are poorly understood. Here we show that microenvironmental cues, including inflammation-mediated resistance to adoptive T-cell immunotherapy, transcriptionally repress MITF via ATF4 in response to inhibition of translation initiation factor eIF2B. ATF4, a key transcription mediator of the integrated stress response, also activates AXL and suppresses senescence to impose the MITF-low/AXL-high drug-resistant phenotype observed in human tumors. However, unexpectedly, without translation reprogramming an ATF4-high/MITF-low state is insufficient to drive invasion. Importantly, translation reprogramming dramatically enhances tumorigenesis and is linked to a previously unexplained gene expression program associated with anti-PD-1 immunotherapy resistance. Since we show that inhibition of eIF2B also drives neural crest migration and yeast invasiveness, our results suggest that translation reprogramming, an evolutionarily conserved starvation response, has been hijacked by microenvironmental stress signals in melanoma to drive phenotypic plasticity and invasion and determine therapeutic outcome.

ABSTRACT Non-membrane-bound compartments such as P-bodies (PBs) and stress granules (SGs) play important roles in the regulation of gene expression following environmental stresses. We have systematically determined the protein and mRNA composition of PBs and SGs formed in response to a common stress condition imposed by glucose depletion. We find that high molecular weight (HMW) complexes exist prior to glucose depletion that may act as seeds for the further condensation of proteins forming mature PBs and SGs. Both before and after glucose depletion, these HMW complexes are enriched for proteins containing low complexity and RNA binding domains. The mRNA content of these HMW complexes is enriched for long, structured mRNAs that become more poorly translated following glucose depletion. Many proteins and mRNAs are shared between PBs and SGs including several multivalent RNA binding proteins that may promote condensate interactions during liquid-liquid phase separation. Even where the precise identity of mRNAs and proteins localizing to PBs and SGs is distinct, the mRNAs and proteins share common biophysical and chemical features that likely trigger their phase separation.