Abstract Purpose: MicroRNA (miRNA) expression alterations have been described in cancer. Many cancers are characterized by areas of hypoxia, enhanced hypoxia-inducible factor (HIF) levels, and increased expression of hypoxically regulated genes, all of which correlate with patient outcome. We examined hypoxia-induced miRNA expression changes to identify markers of survival in breast cancer. Experimental Design: We used microarrays to analyze miRNA expression changes induced by hypoxia in MCF7 breast cancer cell lines and validated results by quantitative-PCR (Q-PCR). Small interfering RNA against HIF-1α and HIF-2α, and RCC4 cells transfected with the von Hippel-Lindau (VHL) protein were used to investigate HIF dependency of miRNA expression. miRNA Q-PCR assays were done on 219 early breast cancer samples with long-term follow-up. Correlation of expression with clinical variables was done using Pearson and Spearman's rank tests, univariate, and Cox multivariate analysis. Results: hsa-miR-210 induction was the most significant change under hypoxia by microarray analysis (3.4-fold, P < 0.001). hsa-miR-210 expression changes were validated by Q-PCR and detected in other cancer cell lines. Using small interfering RNAs and RCC4 cells transfected with VHL, we showed that the regulation by hypoxia of hsa-miR-210 was mediated by the HIF-1α/VHL transcriptional system but not HIF-2α. hsa-miR-210 expression levels in breast cancer samples correlated directly with a hypoxia score based on the expression of 99 genes. hsa-miR-210 expression levels showed an inverse correlation with disease-free and overall survival, significant in both univariate and multivariate analyses. Conclusions: We show that hsa-miR-210 overexpression is induced by hypoxia in a HIF-1α– and VHL-dependent fashion and its expression levels in breast cancer samples are an independent prognostic factor.

Notch signaling is an evolutionary conserved pathway that is mediated by cell-cell contact. It is involved in a variety of developmental processes and has an essential role in vascular development and angiogenesis. Delta-like 4 (Dll4) is a Notch ligand that is up-regulated during angiogenesis. It is expressed in endothelial cells and regulates the differentiation between tip cells and stalk cells of neovasculature. Here, we present evidence that Dll4 is incorporated into endothelial exosomes. It can also be incorporated into the exosomes of tumor cells that overexpress Dll4. These exosomes can transfer the Dll4 protein to other endothelial cells and incorporate it into their cell membrane, which results in an inhibition of Notch signaling and a loss of Notch receptor. Transfer of Dll4 was also shown in vivo from tumor cells to host endothelium. Addition of Dll4 exosomes confers a tip cell phenotype on the endothelial cell, which results in a high Dll4/Notch-receptor ratio, low Notch signaling, and filopodia formation. This was further evidenced by increased branching in a tube-formation assay and in vivo. This reversal in phenotype appears to enhance vessel formation and is a new form of signaling for Notch ligands that expands their signaling potential beyond cell-cell contact.

Exosomes are secreted extracellular vesicles (EVs) carrying diverse cargos, which can modulate recipient cell behaviour. They are thought to derive from intraluminal vesicles formed in late endosomal multivesicular bodies (MVBs). An alternate exosome formation mechanism, which is conserved from fly to human, is described here, with exosomes carrying unique cargos, including the GTPase Rab11, generated in Rab11-positive recycling endosomal MVBs. Release of these exosomes from cancer cells is increased by reducing Akt/mechanistic Target of Rapamycin (mTORC1) signalling or depleting the key metabolic substrate glutamine, which diverts membrane flux through recycling endosomes. The resulting vesicles promote tumour cell proliferation and turnover, and modulate blood vessel networks in xenograft mouse models in vivo. Their growth-promoting activity, which is also observed in vitro, is Rab11a-dependent, involves ERK-MAPK-signalling and is inhibited by antibodies against Amphiregulin, an EGFR ligand concentrated on these vesicles. Therefore, glutamine depletion or mTORC1 inhibition stimulates release of Rab11a-exosomes with pro-tumorigenic functions, which we propose promote stress-induced tumour adaptation.

Tumor hypoxia is associated with poor patient outcomes in estrogen receptor-alpha positive breast cancer. Hypoxia is known to affect tumor growth by reprogramming metabolism and regulating amino acid (AA) uptake. Here we show that the glutamine transporter, SNAT2, is the AA transporter most frequently induced by hypoxia in breast cancer and it is regulated by HIF1α both in-vitro and in-vivo in xenografts. SNAT2 induction in MCF7 cells was also regulated by ERα but it became predominantly a HIF-1α-dependent gene under hypoxia. Relevant to this, binding sites for both HIF-1α and ERα overlap in SNAT2 cis-regulatory elements. In addition, the downregulation of SNAT2 by the ER antagonist fulvestrant was reverted in hypoxia. Overexpression of SNAT2 in-vitro to recapitulate the levels induced by hypoxia caused enhanced growth, particularly after ERα inhibition, in hypoxia, or when glutamine levels were low. SNAT2 upregulation in-vivo caused complete resistance to anti-estrogen and, partially, anti-VEGF therapies. Finally, high SNAT2 expression levels correlate with HIF-1α and worse outcome in patients given anti-estrogen therapy. Our findings show a switch in regulation of SNAT2 between ERα and HIF-1α, leading to endocrine resistance in hypoxia. Development of drugs targeting SNAT2 may be of value for a subset of hormone-resistant breast cancer.