ABSTRACT Cancer stem cells (CSCs) initiate tumors, resist treatment, and seed lethal metastases; yet CSC-specific treatments are lacking. Aggressive, treatment-resistant triple-negative breast cancers (TNBC) exhibit WNT pathway activation and are CSC enriched. Here, we show that Limb-Bud- and-Heart (LBH), a WNT/β-catenin target required for normal mammary stem cell self-renewal, marks poor prognosis, stem-like TNBC, and is a key controller of breast cancer stemness. LBH is specifically expressed in tumor-initiating CD44 + CD24 -/low breast CSCs. LBH overexpression confers stem-like, metastatic traits on both TNBC and luminal origin, non-TNBC breast cancer cells by activating stem cell transcriptional programs. Importantly, silencing LBH potently suppresses tumor initiation and metastasis in vivo , and sensitizes TNBC cells to chemotherapy. LBH knockout in the MMTV-Wnt1 breast cancer mouse model, furthermore, revealed LBH is required for WNT-driven breast CSC expansion. Our findings identify LBH as an essential CSC driver downstream of WNT, and a new molecular target for anti-cancer stem cell therapy.

The outcome of many diseases is commonly correlated with the immune response at the site of pathology. The ability to monitor the status of the immune system in situ provides a mechanistic understanding of disease progression, a prognostic assessment and a guide for therapeutic intervention. Global transcriptomic data can be deconvoluted to provide an indication of the cell types present and their activation state, but the gene signatures proposed to date are either disease-specific or have been derived from data generated from isolated cell populations. Here we describe an improved set of immune gene signatures, ImSig, derived based on their co-expression in blood and tissue datasets. ImSig includes validated lists of marker genes for the main immune cell types and a number of core pathways. When used in combination with network analysis, ImSig is an accurate and easy to use approach for monitoring immune phenotypes in transcriptomic data derived from clinical samples.

Estrogen receptor-positive (ER+) breast tumours are often treated with anti-estrogen (AE) therapies but frequently develop resistance. Cancer Stem Cells (CSCs) with high aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity (ALDH+ cells) are reported to be enriched following AE treatment. Here we perform in vitro and in vivo functional CSC assays and gene expression analysis to characterise the ALDH+ population in AE resistant metastatic patient samples and an ER+ cell line. We show that the IL1β signalling pathway is activated in ALDH+ cells and data from single cells reveals that AE treatment selects for IL1R1-expressing ALDH+ cells. Importantly, we demonstrate that increased expression of IL1R1 is observed in the tumours of patients treated with AE therapy and predicts for treatment failure. Single-cell gene expression analysis revealed that at least 2 sub-populations exist within the ALDH+ population, one proliferative and one quiescent. Following AE therapy, the quiescent ALDH+IL1R1+ population is expanded, which suggests CSC dormancy as an adaptive strategy that facilitates treatment resistance. Supporting this, analysis of AE resistant dormant tumours reveals significantly increased expression of ALDH1A1 , ALDH1A3 and IL1R1 genes. Thus, we propose that targeting of ALDH+IL1R1+ cells will reverse AE resistance, including in patients with minimal residual disease.

Background: The risk of recurrence for endocrine-treated breast cancer patients persists for many years or even decades following surgery and apparently successful adjuvant therapy. This period of dormancy and acquired resistance is inherently difficult to investigate, previous efforts have been limited to in vitro or in vivo approaches. In this study, sequential tumour samples from patients receiving extended neoadjuvant endocrine treatment were characterised as a novel clinical model. Methods: Consecutive tumour samples from 62 patients undergoing extended (4-45 months) neoadjuvant aromatase inhibitor, letrozole, therapy were subjected to transcriptomic and proteomic analysis, representing before (≤0), early-on (13-120 days) and long-term (>120 days) neoadjuvant letrozole treatment. Patients with at least a 40% initial reduction in tumour size by 4 months of treatment were included. Of these, 42 patients with no subsequent progression were classified as dormant, and the remaining 20 patients as acquired resistant. Results: Changes in gene expression in dormant tumours begin early and become more pronounced at later timepoints. Therapy-induced changes in resistant tumours were common features of treatment, rather than being specific to resistant phenotype. Comparative analysis of long-term treated dormant and resistant tumours highlighted changes in epigenetics pathways including DNA methylation and histone acetylation. DNA methylation marks 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine were significantly reduced in resistant tumours compared to dormant tissues after extended letrozole treatment. Conclusions: This is the first patient-matched gene expression study investigating long-term aromatase inhibitor-induced dormancy and acquired resistance in breast cancer. Dormant tumours continue to change during treatment whereas acquired resistant tumours more closely resemble their diagnostic samples. Global loss of DNA methylation was observed in resistant tumours under extended treatment. Epigenetic alterations may lead to escape from dormancy and drive acquired resistance in a subset of patients supporting a potential role for therapy targeted at these epigenetic alterations in the management of endocrine resistant breast cancer. Keywords: dormancy, endocrine treatment, epigenetics, letrozole, sequential samples, resistance, microarray, proteomics

Triple negative breast cancer (TNBC) is the most lethal breast cancer subtype. Extended periods of lactation protect against breast cancer development, but the mechanisms underlying this protection are unknown. We examined the effects of the milk protein alpha-casein over expression in the triple negative MDA-MB-231 breast cancer cell line. The effects of recombinant alpha-casein added exogenously to MDA-MB-231 breast cancer cells, and immortalised human fibroblasts were also investigated. We used transcriptional reporters to understand the signalling pathways downstream of alpha-casein in breast cancer cells and these fibroblasts that were activated by breast cancer cells. To extend our findings to the clinical setting, we analysed public gene expression datasets to further understand the relevance of these signalling pathways in triple negative breast cancer cells and patient samples. Finally, we used small molecular inhibitors to target relevant pathways and highlight these as potential candidates for the treatment of TN breast cancer. High levels of alpha-casein gene expression were predictive of good prognosis across 263 TNBC patient tumour samples. Alpha-casein over expression or exogenous addition reduces cancer stem cell (CSC) activity. HIF-1alpha was identified to be a key downstream target of alpha-casein, in both breast cancer cells and activated fibroblasts, and STAT transcription factors to be upstream of HIF-1alpha. Interestingly, HIF-1alpha is regulated by STAT3 in breast cancer cells, but STAT1 is the regulator of HIF-1alpha in activated fibroblasts. In analysis of 573 TNBC patient samples, alpha-casein expression, inversely correlated to HIF-1alpha, STAT3 and STAT1. STAT1 and STAT3 inhibitors target HIF-1alpha signalling in activated fibroblasts and MDA-MB-231 breast cancer cells respectively, and also abrogate CSC activities. Our findings provide an explanation for the protective effects of lactation in TNBC. Clinical data correlates high alpha-casein expression with increased recurrence-free survival in TNBC patients. Mechanistically, alpha-casein reduces breast cancer stem cell activity in vitro, and STAT3 and STAT1 were identified as regulators of pro-tumorigenic HIF-1alpha signalling in breast cancer cells and fibroblasts respectively.

PURPOSE: Estrogen receptor (ER) positive breast cancer is frequently sensitive to endocrine therapy. Multiple mechanisms of endocrine therapy resistance have been identified, including cancer stem-like cell (CSC) activity. Sulforaphane (SFN) has previously been shown to target CSCs but its mechanism of action is unclear. Here we investigate SFX-01, a stabilised formulation of SFN, for its effects on breast CSC activity in ER+ preclinical models and to study its mechanism. EXPERIMENTAL DESIGN: CSC activity was measured by mammosphere formation efficiency (MFE), aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity, and tumor formation using patient samples and patient-derived xenograft (PDX) tumors treated with SFX-01 alone or in combination with tamoxifen or fulvestrant. Gene expression and SFN target proteins in treated samples were assessed. RESULTS: SFX-01 reduced MFE of both ER+ primary and metastatic patient samples. Both tamoxifen and fulvestrant increased MFE and ALDH activity of PDX tumors, which was reversed by combination with SFX-01. SFX-01 significantly reduced tumor initiating cell frequency in secondary transplants at limiting dilution and reduced the formation of spontaneous lung micrometastases by PDX tumors in mice. Mechanistically, we establish that both tamoxifen and fulvestrant induce STAT3 phosphorylation. SFX-01 suppressed phospho-STAT3 and SFN directly bound STAT3 in patient and PDX samples. Analysis of ALDH+ cells from endocrine-resistant patient samples revealed activation of STAT3 target genes MUC1 and OSMR, which were inhibited by SFX-01 in patient samples. Increased expression of these genes after 3 months' endocrine treatment of ER+ patients (n=68) predicted poor prognosis. CONCLUSIONS: Our data establish the importance of STAT3 signaling in CSC-mediated resistance to endocrine therapy and the potential of SFX-01 for improving clinical outcomes in ER+ breast cancer.

Despite the effectiveness of endocrine therapies to treat estrogen receptor-positive (ER+) breast tumours, two thirds of patients will eventually relapse due to de novo or acquired resistance to these agents. Cancer Stem-like Cells (CSCs), a rare cell population within the tumour, accumulate after anti-estrogen treatments and are likely to contribute to their failure. Here we studied the role of p21-activated kinase 4 (PAK4) as a promising target to overcome endocrine resistance and disease progression in ER+ breast cancers. PAK4 predicts for resistance to tamoxifen and poor prognosis in 2 independent cohorts of ER+ tumours. We observed that PAK4 strongly correlates with CSC activity in metastatic patient-derived samples irrespective of breast cancer subtype. However, PAK4-driven mammosphere-forming CSC activity increases alongside progression only in ER+ metastatic samples. PAK4 activity increases in ER+ models during acquired resistance to endocrine therapies. Targeting PAK4 with either CRT PAKi, a small molecule inhibitor of PAK4, or with specific siRNAs abrogates CSC activity/self-renewal in clinical samples and endocrine-resistant cells. Together, our findings establish that PAK4 regulates stemness during disease progression and that its inhibition reverses endocrine resistance in ER+ breast cancers.