In the bone marrow (BM) microenvironment, NG2 + /Nestin + mesenchymal stem cells (MSCs) promote hematopoietic stem cell (HSC) quiescence 1,2 . Importantly, the BM can also harbour disseminated tumour cells (DTCs) from multiple cancers, which, like HSCs, can remain dormant 3 . The BM signals are so growth-restrictive that dormant BM DTCs can persist for years to decades only to awaken and fuel lethal metastasis 3–10 . The mechanisms and niche components regulating DTC dormancy remain largely unknown. Here, we reveal that periarteriolar BM-resident NG2 + /Nestin + MSCs can instruct breast cancer (BC) DTCs to enter dormancy. NG2 + /Nestin + MSCs produce TGFβ2 and BMP7 and activate a quiescence pathway dependent on TGFBRIII and BMPRII, which via p38-kinase result in p27-CDK inhibitor induction. Importantly, genetic depletion of the NG2 + /Nestin + MSCs or conditional knock-out of TGFβ2 in the NG2 + /Nestin + MSCs led to awakening and bone metastatic expansion of otherwise dormant p27 + /Ki67 − DTCs. Our results provide a direct proof that HSC dormancy niches control BC DTC dormancy. Given that aged NG2 + /Nestin + MSCs can lose homeostatic control of HSC dormancy, our results suggest that aging or extrinsic factors that affect the NG2 + /Nestin + MSC niche may result in a break from dormancy and BC bone relapse.

ABSTRACT Disseminated cancer cells (DCCs) identified in secondary organs, sometimes before the primary tumor becomes detectable and treated, can remain dormant for years to decades before manifesting. Microenvironmental and epigenetic mechanisms may control the onset and escape from dormancy, and here we reveal how a combination of the DNA methylation inhibitor 5-azacytidine (AZA) and retinoic acid receptor ligands all-trans retinoic acid (atRA), orchestrate a novel program of stable dormancy. Treatment of HNSCC tumor cells with AZA+atRA induced a SMAD2/3/4 dependent regulation of downstream transcriptional program that restored the anti-proliferative function of TGFβ signaling. Significantly, AZA+atRA or AZA+AM80, an RARα specific agonist, strongly suppresses lung metastasis formation. The metastatic suppression occurs via the induction and maintenance of phenotypically homogenous dormant SMAD4+/NR2F1+ non-proliferative DCCs. These findings suggest that strategies that maintain or induce dormancy programs may be a viable alternative strategy to improve patient outcomes by preventing or significantly delaying metastasis development.

ABSTRACT Metastases are initiated by disseminated tumor cells (DTCs) that depart from the primary tumor and colonize target organs. Growing evidence suggests that the microenvironment of the primary tumor lesion primes DTCs to display dormant or proliferative fates in target organs. However, the manner in which events taking place in the primary tumor influence DTC fate, sometimes long after dissemination, remains poorly understood. With the advent of a novel intravital imaging technique called the Window for High-Resolution Intravital Imaging of the Lung (WHRIL), we have, for the first time, been able to study the live lung longitudinally and follow the fate of individual DTCs that spontaneously disseminate from orthotopic breast tumors. We find, across several models, a high rate of success for tumor cells to complete the initial steps of the metastatic cascade in the secondary site, including retention of DTCs in the lung vasculature, speed of extravasation, and survival after extravasation. Importantly, initiation of metastatic growth was controlled primarily by a rate-limiting step that occurred post-extravasation and at the stage of the conversion of single DTCs from a dormant to a proliferative state. Detailed analysis of these events revealed that, even before dissemination, a subset of macrophages within the primary tumor induces, in tumor cells that are about to disseminate, the expression of proteins that regulate a pro- dissemination (Mena INV ) and pro-dormancy (NR2F1) phenotype. Surprisingly, if cancer cells are intravenously injected, the rate limiting stages of Mena INV -associated extravasation, dormancy, and other parameters, are lost or altered in a way that impacts how DTCs progress through the metastatic cascade. Our work provides novel insight into how specific primary tumor microenvironments prime a subpopulation of cells for dissemination and dormancy. We also propose that dissecting mechanisms of metastasis, or testing anti-metastatic therapies, may yield results of limited application if derived from models that do not follow spontaneous dissemination. SIGNIFICANCE This study provides important insight into the contribution of primary tumor microenvironmental niches to cancer metastasis by identifying the manner in which these niches spawn subpopulations of DTCs that are primed for dissemination and dormancy in the secondary site. This study may provide novel targets that could be inhibited to prevent successful colonization of the secondary site and, hence, metastasis.

A bstract MacroH2A variants have been associated with tumor suppression through inhibition of proliferation and metastasis, as well as their role in cellular senescence. However, their role in regulating the dormant state of disseminated cancer cells (DCCs) remains unclear. Here we reveal that solitary dormant DCCs display increased levels of macroH2A variants in head and neck squamous cell carcinoma PDX models and patient samples compared to proliferating primary or metastatic lesions. We further demonstrate that microenvironmental and stress adaptive signals such as TGFβ2 and p38α/β, which induce DCC dormancy, upregulate macroH2A expression. Functionally, we find that overexpression of macroH2A variants is sufficient to induce tumor cells into dormancy and notably, inducible expression of the macroH2A2 variant suppresses the growth of DCCs into overt metastasis. However, this dormant state does not require well-characterized dormancy factors such as DEC2 and NR2F1, suggesting alternate pathways. Our transcriptomic analyses reveal that macroH2A2 overexpression inhibits E2F, RAS and MYC signaling programs, while upregulating inflammatory cytokines commonly secreted by senescent cells. Taken together, our results demonstrate that macroH2A2 enforces a stable dormant phenotype in DCCs by activating a select subset of dormancy and senescence genes that limit metastasis initiation.