CD44 is an adhesion molecule expressed in cancer stem-like cells. Here, we show that a CD44 variant (CD44v) interacts with xCT, a glutamate-cystine transporter, and controls the intracellular level of reduced glutathione (GSH). Human gastrointestinal cancer cells with a high level of CD44 expression showed an enhanced capacity for GSH synthesis and defense against reactive oxygen species (ROS). Ablation of CD44 induced loss of xCT from the cell surface and suppressed tumor growth in a transgenic mouse model of gastric cancer. It also induced activation of p38MAPK, a downstream target of ROS, and expression of the gene for the cell cycle inhibitor p21CIP1/WAF1. These findings establish a function for CD44v in regulation of ROS defense and tumor growth.

Heart disease remains a major cause of death despite advances in medical technology. Heart-regenerative therapy that uses pluripotent stem cells (PSCs) is a potentially promising strategy for patients with heart disease, but the inability to generate highly purified cardiomyocytes in sufficient quantities has been a barrier to realizing this potential. Here, we report a nongenetic method for mass-producing cardiomyocytes from mouse and human PSC derivatives that is based on the marked biochemical differences in glucose and lactate metabolism between cardiomyocytes and noncardiomyocytes, including undifferentiated cells. We cultured PSC derivatives with glucose-depleted culture medium containing abundant lactate and found that only cardiomyocytes survived. Using this approach, we obtained cardiomyocytes of up to 99% purity that did not form tumors after transplantation. We believe that our technological method broadens the range of potential applications for purified PSC-derived cardiomyocytes and could facilitate progress toward PSC-based cardiac regenerative therapy.

Hematopoietic stem cells (HSCs) are sustained in a specific microenvironment known as the stem cell niche. Mammalian HSCs are kept quiescent in the endosteal niche, a hypoxic zone of the bone marrow (BM). In this study, we show that normal HSCs maintain intracellular hypoxia and stabilize hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) protein. In HIF-1α-deficient mice, the HSCs lost their cell cycle quiescence and HSC numbers decreased during various stress settings including bone marrow transplantation, myelosuppression, or aging, in a p16Ink4a/p19Arf-dependent manner. Overstabilization of HIF-1α by biallelic loss of an E3 ubiquitin ligase for HIF-1α (VHL) induced cell cycle quiescence in HSCs and their progenitors but resulted in an impairment in transplantation capacity. In contrast, monoallelic loss of VHL induced cell cycle quiescence and improved BM engraftment during bone marrow transplantation. These data indicate that HSCs maintain cell cycle quiescence through the precise regulation of HIF-1α levels.

Significance Reactive sulfur-containing compounds, such as l -cysteine hydropersulfide (CysSSH), reportedly form in mammals. However, the biological relevance of these reactive sulfur species remains unclear. We determined that CysSSH was synthesized from cystine by cystathionine β-synthase and cystathionine γ-lyase, which in turn may contribute to high levels of glutathione hydropersulfide (>100 μM) and other CysSSH derivatives of peptides/proteins formed in cells, tissues, and plasma from mice and humans. Compared with glutathione and hydrogen sulfide, CysSSH derivatives were superior nucleophiles and reductants and capable of regulating electrophilic cell signaling mediated by 8-nitroguanosine 3′,5′-cyclic monophosphate. Altogether, it is proposed that reactive Cys persulfides and S-polythiolation have critical regulatory functions in redox cell signaling.

Defining the metabolic programs that underlie stem cell maintenance will be essential for developing strategies to manipulate stem cell capacity. Mammalian hematopoietic stem cells (HSCs) maintain cell cycle quiescence in a hypoxic microenvironment. It has been proposed that HSCs exhibit a distinct metabolic phenotype under these conditions. Here we directly investigated this idea using metabolomic analysis and found that HSCs generate adenosine-5′-triphosphate by anaerobic glycolysis through a pyruvate dehydrogenase kinase (Pdk)-dependent mechanism. Elevated Pdk expression leads to active suppression of the influx of glycolytic metabolites into mitochondria. Pdk overexpression in glycolysis-defective HSCs restored glycolysis, cell cycle quiescence, and stem cell capacity, while loss of both Pdk2 and Pdk4 attenuated HSC quiescence, glycolysis, and transplantation capacity. Moreover, treatment of HSCs with a Pdk mimetic promoted their survival and transplantation capacity. Thus, glycolytic metabolic status governed by Pdk acts as a cell cycle checkpoint that modulates HSC quiescence and function.

Metabolomics is an emerging tool that can be used to gain insights into cellular and physiological responses. Here we present a metabolome differential display method based on capillary electrophoresis time-of-flight mass spectrometry to profile liver metabolites following acetaminophen-induced hepatotoxicity. We globally detected 1,859 peaks in mouse liver extracts and highlighted multiple changes in metabolite levels, including an activation of the ophthalmate biosynthesis pathway. We confirmed that ophthalmate was synthesized from 2-aminobutyrate through consecutive reactions with gamma-glutamylcysteine and glutathione synthetase. Changes in ophthalmate level in mouse serum and liver extracts were closely correlated and ophthalmate levels increased significantly in conjunction with glutathione consumption. Overall, our results provide a broad picture of hepatic metabolite changes following acetaminophen treatment. In addition, we specifically found that serum ophthalmate is a sensitive indicator of hepatic GSH depletion, and may be a new biomarker for oxidative stress. Our method can thus pinpoint specific metabolite changes and provide insights into the perturbation of metabolic pathways on a large scale and serve as a powerful new tool for discovering low molecular weight biomarkers.

Maintenance of skeletal muscle mass relies on the dynamic balance between anabolic and catabolic processes and is important for motility, systemic energy homeostasis, and viability. We identified direct target genes of the glucocorticoid receptor (GR) in skeletal muscle, i.e., REDD1 and KLF15. As well as REDD1, KLF15 inhibits mTOR activity, but via a distinct mechanism involving BCAT2 gene activation. Moreover, KLF15 upregulates the expression of the E3 ubiquitin ligases atrogin-1 and MuRF1 genes and negatively modulates myofiber size. Thus, GR is a liaison involving a variety of downstream molecular cascades toward muscle atrophy. Notably, mTOR activation inhibits GR transcription function and efficiently counteracts the catabolic processes provoked by glucocorticoids. This mutually exclusive crosstalk between GR and mTOR, a highly coordinated interaction between the catabolic hormone signal and the anabolic machinery, may be a rational mechanism for fine-tuning of muscle volume and a potential therapeutic target for muscle wasting.

Heme oxygenase is a heme-oxidizing enzyme which generates biliverdin and carbon monoxide (CO). The present study was designed to elucidate whether CO endogenously produced by this enzyme serves as an active vasorelaxant in the hepatic microcirculation. Microvasculature of the isolated perfused rat liver was visualized by dual-color digital microfluorography to alternately monitor sinusoidal lining and fat-storing Ito cells. In the control liver, the CO flux in the venous effluent ranged at 0.7 nmol/min per gram of liver. Administration of a heme oxygenase inhibitor zinc protoporphyrin IX (1 microM) eliminated the baseline CO generation, and the vascular resistance exhibited a 30% elevation concurrent with discrete patterns of constriction in sinusoids and reduction of the sinusoidal perfusion velocity. The major sites of the constriction corresponded to local sinusoidal segments colocalized with Ito cell which were identified by imaging their vitamin A autofluorescence. The increase in the vascular resistance and sinusoidal constriction were attenuated significantly by adding CO (1 microM) or a cGMP analogue 8-bromo-cGMP (1 microM) in the perfusate. From these findings, we propose that CO can function as an endogenous modulator of hepatic sinusoidal perfusion through a relaxing mechanism involving Ito cells.

In cancer metastasis, various environmental stressors attack the disseminating cells. The successful colonization of cancer cells in secondary sites therefore requires the ability of the cells to avoid the consequences of such exposure to the stressors. Here we show that orthotopic transplantation of a CD44 variant isoform-expressing (CD44v+) subpopulation of 4T1 breast cancer cells, but not that of a CD44v− subpopulation, in mice results in efficient lung metastasis accompanied by expansion of stem-like cancer cells. Such metastasis is dependent on the activity of the cystine transporter xCT, and the stability of this protein is controlled by CD44v. We find that epithelial splicing regulatory protein 1 regulates the expression of CD44v, and knockdown of epithelial splicing regulatory protein 1 in CD44v+ cells results in an isoform switch from CD44v to CD44 standard (CD44s), leading to reduced cell surface expression of xCT and suppression of lung colonization. The epithelial splicing regulatory protein 1-CD44v-xCT axis is thus a potential therapeutic target for the prevention of metastasis. CD44 is a cell surface protein that is a marker for stem cell-like cancer cells and has a role in invasion and metastasis. Here, epithelial splicing regulatory protein 1 is shown to generate a CD44 variant protein that enhances metastasis in a mouse model and protects cells from oxidative stress.