Abstract Cellular and molecular heterogeneity within tumors has long been associated with the progression of cancer to an aggressive phenotype and a poor prognosis. However, how such intratumoral heterogeneity contributes to the invasiveness of cancer is largely unknown. Here, using a multidisciplinary approach, we investigate the interaction between molecular subtypes within bladder microtumors and the corresponding effects on their invasiveness. Our results reveal heterogeneous microtumors formed by multiple molecular subtypes possess enhanced invasiveness compared to individual cells, even when both cells are not invasive individually. To examine the molecular mechanism of intratumoral heterogeneity mediated invasiveness, live single cell biosensing, RNA interference, and CRISPR-Cas9 gene editing approaches were applied to investigate and control the composition of the microtumors. An agent-based computational model was also developed to evaluate the influence of NOTCH1 variation on DLL4 expression within a microtumor. The data indicate that variation in NOTCH1 expression can lead to upregulation of DLL4 expression within the microtumor and enhancement of microtumor invasiveness. Overall, our results reveal a novel mechanism of heterogeneity mediated invasiveness through intratumoral variation of gene expression. Summary statement This study reveals a mechanism that Notch1 variation, instead of the average value, promotes the invasiveness of microtumor, providing a link between intratumoral heterogeneity and collective cancer invasion.

Muscle-invasive bladder cancers have recently been characterized by their distinct expression of luminal and basal genes, which could be used to predict key clinical features such as disease progression and overall survival. For example, FOXA1, GATA3, and PPARG have been shown to be essential for luminal subtype-specific regulation and subtype switching, while TP63 and STAT3 are critical for basal subtype bladder cancer. Despite these advances, the underlying epigenetic mechanism and 3D chromatin architecture for subtype-specific regulation in bladder cancers remains largely unknown. Here, we determined the genome-wide transcriptome, enhancer landscape, TF binding profiles (FOXA1 and GATA3) in luminal and basal subtypes of bladder cancers. Furthermore, we mapped genome-wide chromatin interactions by Hi-C in both bladder cancer cell lines and primary patient tumors, for the first time in bladder cancer. We showed that subtype-specific transcription is accompanied by specific open chromatin and epigenomic marks, at least partially driven by distinct TF binding at distal-enhancers of luminal and basal bladder cancers. Finally, we identified a novel clinically relevant transcriptional factor, Neuronal PAS Domain Protein 2 (NPAS2), in luminal bladder cancers that regulates other luminal-specific genes (such as FOXA1, GATA3, and PPARG) and affects cancer cell proliferation and migration. In summary, our work shows a subtype-specific epigenomic and 3D genome structure in urinary bladder cancers and suggested a novel link between the circadian TF NPAS2 and a clinical bladder cancer subtype.

Reprogrammed metabolism and cell cycle dysregulation are two cancer hallmarks. p16 is a cell cycle inhibitor and tumor suppressor that is upregulated during oncogene-induced senescence (OIS). Loss of p16 allows for uninhibited cell cycle progression, bypass of OIS, and tumorigenesis. Whether p16 loss affects pro-tumorigenic metabolism is unclear. We report that suppression of p16 plays a central role in reprogramming metabolism by increasing nucleotide synthesis. This occurred via activation of mTORC1 signaling, which directly mediated increased translation of the mRNA encoding ribose-5-phosphate isomerase A ( RPIA ), a pentose phosphate pathway enzyme. p16 loss correlated with activation of the mTORC1-RPIA axis in multiple cancer types. Suppression of RPIA inhibited proliferation only in p16-low cells by inducing senescence both in vitro and in vivo . These data reveal the molecular basis whereby p16 loss modulates pro-tumorigenic metabolism through mTORC1-mediated upregulation of nucleotide synthesis and reveals a metabolic vulnerability of p16-null cancer cells.Highlights

The discovery of bladder cancer transcriptional subtypes provides an opportunity to identify high risk patients, and tailor disease management. Recent studies suggest tumor heterogeneity contributes to plasticity of molecular subtype during progression and following treatment. Nonetheless, the transcriptional drivers of the aggressive basal-squamous subtype remain unidentified. As PPARγ has been repeatedly implicated in the luminal subtype of bladder cancer, we hypothesized inactivation of this transcriptional master regulator during progression results in increased expression of basal-squamous specific transcription factors (TFs) which act to drive aggressive behavior. We initiated a pharmacologic and RNA-seq-based screen to identify PPARγ-repressed, basal-squamous specific TFs. Hierarchical clustering of RNA-seq data following treatment of a panel of human bladder cancer cell lines with a PPARγ agonist identified a number of TFs regulated by PPARγ activation, several of which are implicated in urothelial and squamous differentiation. One PPARγ-repressed TF implicated in squamous differentiation identified is Transcription Factor Activating Protein 2 alpha (TFAP2A). We show TFAP2A and its paralog TFAP2C are overexpressed in basal-squamous bladder cancer and in squamous areas of cystectomy samples, and that overexpression is associated with increased lymph node metastasis and distant recurrence, respectively. Biochemical analysis confirmed the ability of PPARγ activation to repress TFAP2A, while PPARγ antagonist studies indicate the requirement of a functional receptor. In vivo tissue recombination studies show TFAP2A and TFAP2C promote tumor growth in line with the aggressive nature of basal-squamous bladder cancer. Our findings suggest PPARγ inactivation, as well as TFAP2A and TFAP2C overexpression cooperate with other TFs to promote the basal-squamous transition.

Cells must alter their antioxidant capacity for maximal metastatic potential. However, the antioxidant adaptations required for transcoelomic metastasis, which is the passive dissemination of cancer cells in the peritoneal cavity as seen in ovarian cancer, have largely remained unexplored. Contradicting the need for oxidant scavenging by tumor cells is the observation that expression of the nutrient stress sensor and regulator of mitochondrial antioxidant defenses, SIRT3, is suppressed in many primary tumors. We discovered that this mitochondrial deacetylase is however, upregulated in a context-dependent manner in cancer cells. SIRT3 activity and expression transiently increased following ovarian cancer cell detachment and in tumor cells derived from malignant ascites of high-grade serous adenocarcinoma patients. Mechanistically, SIRT3 prevents mitochondrial superoxide surges in detached cells by regulating the manganese superoxide dismutase SOD2. This mitochondrial stress response is under dual regulation by SIRT3. SIRT3 rapidly increases SOD2 activity as an early adaptation to cellular detachment, which is followed by SIRT3-dependent transcriptional increases in SOD2 during sustained anchorage-independence. In addition, SIRT3 inhibits glycolytic capacity in anchorage-independent cells thereby contributing to metabolic changes in response to detachment. While manipulation of SIRT3 expression has few deleterious effects on cancer cells in attached conditions, SIRT3 up-regulation and SIRT3-mediated oxidant scavenging following matrix detachment are required for anoikis resistance in vitro, and both SIRT3 and SOD2 are necessary for colonization of the peritoneal cavity in vivo. Our results highlight the novel context-specific, pro-metastatic role of SIRT3 in ovarian cancer.

Abstract Forkhead Box A1 (FOXA1) is a pioneer transcription factor critical in epigenetic regulation of chromatin and cell fate determination. Reduced FOXA1 expression is an independent predictor of poor overall survival in bladder cancer patients. However, the impact of FOXA1 loss on chromatin epigenetics in bladder cancer is unknown. Therefore, we determined the impact of FOXA1 knock out (KO) on epigenetic modification of chromatin and associated gene expression. We identified 8,230 differentially expressed genes following FOXA1 KO. Surprisingly, Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) identified IFNɑ/ɣ gene expression signatures as enriched following FOXA1 KO. FOXA1 KO induced both increased and decreased numbers of histone 3 lysine 27 acetylation (H3K27ac) sites throughout the genome. As expected, the majority of differences in H3K27ac across genomic areas in FOXA1 KO cells is mapped to intergenic and intronic regions where enhancers reside. In addition, a subset of differential H3K27ac levels were also mapped to proximal promoters and within gene bodies. Integrated analysis of RNA/ChIP-seq data shows changes in gene expression that are mirrored by differences in H3K27ac. Motif analysis of DNA sequence enriched for H3K27ac identified significant increases in transcription factor binding motifs including the interferon sensitive response element (ISRE) and interferon response factors such as IRF1. Moreover, we identified increased H3K27ac of regulatory elements as being associated with several upregulated interferon sensitive genes (ISGs) in FOXA1 KO cells, including CD274 /PD-L1. Western blotting and Q-RT-PCR confirmed upregulation of CD274 /PD-L1 following FOXA1 KO. Analysis of TCGA data confirmed an inverse relationship between FOXA1 and CD274 in bladder cancer, as well as in other cancers. In summary, we provide evidence of widespread epigenetic reprogramming after FOXA1 KO in bladder cancer cells. Additionally, we provide evidence that FOXA1 KO-induced epigenetic changes contribute to activation of a global interferon-dominant expression signature, including the immune checkpoint target CD274 /PD-L1 in a cancer cell-intrinsic manner.