Recent advances have highlighted extensive phenotypic and functional similarities between normal stem cells and cancer stem cells. This raises the question of whether disease therapies can be developed that eliminate cancer stem cells without eliminating normal stem cells. Here we address this issue by conditionally deleting the Pten tumour suppressor gene in adult haematopoietic cells. This led to myeloproliferative disease within days and transplantable leukaemias within weeks. Pten deletion also promoted haematopoietic stem cell (HSC) proliferation. However, this led to HSC depletion via a cell-autonomous mechanism, preventing these cells from stably reconstituting irradiated mice. In contrast to leukaemia-initiating cells, HSCs were therefore unable to maintain themselves without Pten. These effects were mostly mediated by mTOR as they were inhibited by rapamycin. Rapamycin not only depleted leukaemia-initiating cells but also restored normal HSC function. Mechanistic differences between normal stem cells and cancer stem cells can thus be targeted to deplete cancer stem cells without damaging normal stem cells. Stem cells that initiate and maintain cancers are so like normal stem cells that it's hard to design drugs to target them specifically. This is a serious problem as, for example, damaging blood stem cells in leukaemia therapy can cause haematopoietic failure and death. Now a study of the tumour suppressor PTEN, often inactivated in leukaemia and other cancers, pinpoints a major difference between self-renewal in normal and cancer stem cells. PTEN normally inhibits the phosphatidylinositol-3-OH kinase signalling pathway, limiting cell proliferation and survival. In the absence of PTEN, leukaemic stem cells proliferate, but normal stem cells are depleted. This suggests that PTEN-mimicking drugs may act against leukaemia yet preserve blood stem cells. Indeed, in Pten-deficient mice rapamycin kills leukaemic stem cells but rescues normal stem cell function. A separate study confirms PTEN's role in blood stem cell regulation. The tumour suppressor PTEN is required for maintenance of haematopoietic stem cells, but not leukaemia-initiating cells — this specific effect is mediated by the mTOR pathway and mitigated by rapamycin.

The murine Pten prostate cancer model described in this study recapitulates the disease progression seen in humans: initiation of prostate cancer with prostatic intraepithelial neoplasia (PIN), followed by progression to invasive adenocarcinoma, and subsequent metastasis with defined kinetics. Furthermore, while Pten null prostate cancers regress after androgen ablation, they are capable of proliferating in the absence of androgen. Global assessment of molecular changes caused by homozygous Pten deletion identified key genes known to be relevant to human prostate cancer, including those “signature” genes associated with human cancer metastasis. This murine prostate cancer model provides a unique tool for both exploring the molecular mechanism underlying prostate cancer and for development of new targeted therapies.

Erythropoietin (EPO) is the principal growth factor regulating the production of circulating erythrocytes. We introduced null mutations into both Epo and the EPO receptor (EpoR) gene. Both heterozygotes appeared normal. Homozygous animals exhibited reduced primitive erythropoiesis and died around embryonic day 13, owing to failure of definitive fetal liver erythropoiesis. Both types of mutations exhibited identical phenotypes, indicating that EPO and the EPOR are crucial for definitive erythropoiesis in vivo and that no other ligands or receptors can replace them. Committed erythroid BFU-E and CFU-E progenitors were present in both homozygous fetal livers. Thus, neither EPO nor the EPOR is required for erythroid lineage commitment or for the proliferation and differentiation of BFU-E to CFU-E progenitors. EPO and the EPOR are crucial in vivo for the proliferation and survival of CFU-E progenitors and their irreversible terminal differentiation.

Recent evidence places the FRAP/mTOR kinase downstream of the phosphatidyl inositol 3-kinase/Akt-signaling pathway, which is up-regulated in multiple cancers because of loss of the PTEN tumor suppressor gene. We performed biological and biochemical studies to determine whether PTEN-deficient cancer cells are sensitive to pharmacologic inhibition of FRAP/mTOR by using the rapamycin derivative CCI-779. In vitro and in vivo studies of isogenic PTEN +/+ and PTEN −/− mouse cells as well as human cancer cells with defined PTEN status showed that the growth of PTEN null cells was blocked preferentially by pharmacologic FRAP/mTOR inhibition. Enhanced tumor growth caused by constitutive activation of Akt in PTEN +/+ cells also was reversed by CCI-779 treatment, indicating that FRAP/mTOR functions downstream of Akt in tumorigenesis. Loss of PTEN correlated with increased S6 kinase activity and phosphorylation of ribosomal S6 protein, providing evidence for activation of the FRAP/mTOR pathway in these cells. Differential sensitivity to CCI-779 was not explained by differences in biochemical blockade of the FRAP/mTOR pathway, because S6 phosphorylation was inhibited in sensitive and resistant cell lines. These results provide rationale for testing FRAP/mTOR inhibitors in PTEN null human cancers.

Summary

 A broad spectrum of mutations in PTEN, encoding a lipid phosphatase that inactivates the P13-K/AKT pathway, is found associated with primary tumors. Some of these mutations occur outside the phosphatase domain, suggesting that additional activities of PTEN function in tumor suppression. We report a nuclear function for PTEN in controlling chromosomal integrity. Disruption of Pten leads to extensive centromere breakage and chromosomal translocations. PTEN was found localized at centromeres and physically associated with CENP-C, an integral component of the kinetochore. C-terminal PTEN mutants disrupt the association of PTEN with centromeres and cause centromeric instability. Furthermore, Pten null cells exhibit spontaneous DNA double-strand breaks (DSBs). We show that PTEN acts on chromatin and regulates expression of Rad51, which reduces the incidence of spontaneous DSBs. Our results demonstrate that PTEN plays a fundamental role in the maintenance of chromosomal stability through the physical interaction with centromeres and control of DNA repair. We propose that PTEN acts as a guardian of genome integrity.

Janus kinases (Jaks) play an important role in signal transduction via cytokine and growth factor receptors. A targeted inactivation of Jak2 was performed. Jak2−/− embryos are anemic and die around day 12.5 postcoitum. Primitive erythrocytes are found, but definitive erythropoiesis is absent. Compared to erythropoietin receptor–deficient mice, the phenotype of Jak2 deficiency is more severe. Fetal liver BFU-E and CFU-E colonies are completely absent. However, multilineage hematopoietic stem cells (CD34low, c-kitpos) can be found, and B lymphopoiesis appears intact. In contrast to IFNα stimulation, Jak2−/− cells do not respond to IFNγ. Jak2−/− embryonic stem cells are competent for LIF signaling. The data provided demonstrate that Jak2 has pivotal functions for signal transduction of a set of cytokine receptors required in definitive erythropoiesis.

To investigate the molecular basis of PTEN-mediated tumor suppression, we introduced a null mutation into the mouse Pten gene by homologous recombination in embryonic stem (ES) cells. Pten −/− ES cells exhibited an increased growth rate and proliferated even in the absence of serum. ES cells lacking PTEN function also displayed advanced entry into S phase. This accelerated G 1 /S transition was accompanied by down-regulation of p27 KIP1 , a major inhibitor for G 1 cyclin-dependent kinases. Inactivation of PTEN in ES cells and in embryonic fibroblasts resulted in elevated levels of phosphatidylinositol 3,4,5,-trisphosphate, a product of phosphatidylinositol 3 kinase. Consequently, PTEN deficiency led to dosage-dependent increases in phosphorylation and activation of Akt/protein kinase B, a well-characterized target of the phosphatidylinositol 3 kinase signaling pathway. Akt activation increased Bad phosphorylation and promoted Pten −/− cell survival. Our studies suggest that PTEN regulates the phosphatidylinositol 3,4,5,-trisphosphate and Akt signaling pathway and consequently modulates two critical cellular processes: cell cycle progression and cell survival.

The mechanisms controlling neural stem cell proliferation are poorly understood. Here we demonstrate that the PTEN tumor suppressor plays an important role in regulating neural stem/progenitor cells in vivo and in vitro. Mice lacking PTEN exhibited enlarged, histoarchitecturally abnormal brains, which resulted from increased cell proliferation, decreased cell death, and enlarged cell size. Neurosphere cultures revealed a greater proliferation capacity for tripotent Pten-/- central nervous system stem/progenitor cells, which can be attributed, at least in part, to a shortened cell cycle. However, cell fate commitments of the progenitors were largely undisturbed. Our results suggest that PTEN negatively regulates neural stem cell proliferation.

The p53 tumor suppressor exerts anti-proliferative effects in response to various types of stress including DNA damage and abnormal proliferative signals. Tight regulation of p53 is essential for maintaining normal cell growth and this occurs primarily through posttranslational modifications of p53. Here, we describe Pirh2, a gene regulated by p53 that encodes a RING-H2 domain-containing protein with intrinsic ubiquitin-protein ligase activity. Pirh2 physically interacts with p53 and promotes ubiquitination of p53 independently of Mdm2. Expression of Pirh2 decreases the level of p53 protein and abrogation of endogenous Pirh2 expression increases the level of p53. Furthermore, Pirh2 represses p53 functions including p53-dependent transactivation and growth inhibition. We propose that Pirh2 is involved in the negative regulation of p53 function through physical interaction and ubiquitin-mediated proteolysis. Hence, Pirh2, like Mdm2, participates in an autoregulatory feedback loop that controls p53 function.