Introduction of a normal human chromosome 6 into human melanoma cell lines results in suppression of tumorigenicity. This suggests that a gene(s) on chromosome 6 controls the malignant phenotype of human melanoma. Because antioxidants can suppress the tumor-promotion phase of carcinogenesis, and because the antioxidant enzyme manganese superoxide dismutase (MnSOD) has been localized to a region of chromosome 6 frequently lost in melanomas, we have examined the effect of transfecting sense and antisense human MnSOD cDNAs into melanoma cell lines. Cell lines expressing abundant (+)-sense MnSOD-5 cDNAs significantly altered their phenotype in culture and lost their ability to form colonies in soft agar and tumors in nude mice. In contrast, the introduction of antisense MnSOD or +psv2neo had no effect on melanoma tumorigenicity. These findings indicate that stable transfection of MnSOD cDNA into melanoma cell lines exerts a biological effect that mimics that observed after introduction of an entire human chromosome 6.

Abstract Multiple immunosuppressive mechanisms exist in the tumor microenvironment that drive poor outcomes and decrease treatment efficacy. The co-expression of NOS2 and COX2 is a strong predictor of poor prognosis in ER- breast cancer and other malignancies. Together, they generate pro-oncogenic signals that drive metastasis, drug resistance, cancer stemness, and immune suppression. Using an ER- breast cancer patient cohort, we found that the spatial expression patterns of NOS2 and COX2 with CD3+CD8+PD1- T effector (Teff) cells formed a tumor immune landscape that correlated with poor outcome. NOS2 was primarily associated with the tumor-immune interface, whereas COX2 was associated with immune desert regions of the tumor lacking Teff cells. A higher ratio of NOS2 or COX2 to Teff was highly correlated with poor outcomes. Spatial analysis revealed that regional clustering of NOS2 and COX2 was associated with stromal-restricted Teff, while only COX2 was predominant in immune deserts. Examination of other immunosuppressive elements, such as PDL1/PD1, Treg, B7H4, and IDO1, revealed that PDL1/PD1, Treg, and IDO1 were primarily associated with restricted Teff, whereas B7H4 and COX2 were found in tumor immune deserts. Regardless of the survival outcome, other leukocytes, such as CD4 T cells and macrophages, were primarily in stromal lymphoid aggregates. Finally, in a 4T1 model, COX2 inhibition led to a massive cell infiltration, thus validating the hypothesis that COX2 is an essential component of the Teff exclusion process and, thus, tumor evasion. Our study indicates that NOS2/COX2 expression plays a central role in tumor immunosuppression. Our findings indicate that new strategies combining clinically available NOS2/COX2 inhibitors with various forms of immune therapy may open a new avenue for the treatment of aggressive ER- breast cancers.

Tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) is a potential cancer therapeutic that induces apoptosis in cancer cells while sparing the non-malignant cells in preclinical models. However, its efficacy in clinical trials has been limited, suggesting unknown modulatory mechanisms responsible for the lack of TRAIL activity in patients. Here, we hypothesized that TRAIL treatment elicits transcriptional changes in triple negative breast cancer (TNBC) cells that alter the immune milieu. To test this, we performed an RNAseq analysis of MDA-MB-231 cells treated with TRAIL, followed by validation in additional TNBC cell lines. TRAIL significantly induces expression of multiple cytokines such as CXCLs 1, 2, 3, 8,11 and IL-6, which are known to modify neutrophil function. Mechanistically, the induction of these cytokines was predominantly mediated by death receptor 5, caspase 8 (but not caspase 8 enzymatic activity), and the non-canonical NFKB2 pathway. The cytokines produced by the TRAIL-treated TNBC cells enhanced chemotaxis of healthy human donor isolated neutrophils.

Abstract Estrogen receptor-negative (ER-) breast cancer is an aggressive breast cancer subtype with limited therapeutic options. Upregulated expression of both inducible nitric oxide synthase (NOS2) and cyclo-oxygenase (COX2) in breast tumors predicts poor clinical outcomes. Signaling molecules released by these enzymes activate oncogenic pathways, driving cancer stemness, metastasis, and immune suppression. The influence of tumor NOS2/COX2 expression on the landscape of immune markers using multiplex fluorescence imaging of 21 ER-breast tumors were stratified for survival. A powerful relationship between tumor NOS2/COX2 expression and distinct CD8+ T cell phenotypes was observed at 5 years post-diagnosis. These results were confirmed in a validation cohort using gene expression data showing that ratios of NOS2 to CD8 and COX2 to CD8 are strongly associated with poor outcomes in high NOS2/COX2-expressing tumors. Importantly, multiplex imaging identified distinct CD8+ T cell phenotypes relative to tumor NOS2/COX2 expression in Deceased vs Alive patient tumors at 5-year survival. CD8+NOS2-COX2-phenotypes defined fully inflamed tumors with significantly elevated CD8+ T cell infiltration in Alive tumors expressing low NOS2/COX2. In contrast, two distinct phenotypes including inflamed CD8+NOS2+COX2+ regions with stroma-restricted CD8+ T cells and CD8-NOS2-COX2+ immune desert regions with abated CD8+ T cell penetration, were significantly elevated in Deceased tumors with high NOS2/COX2 expression. These results were supported by applying an unsupervised nonlinear dimensionality-reduction technique, UMAP, correlating specific spatial CD8/NOS2/COX2 expression patterns with patient survival. Moreover, spatial analysis of the CD44v6 and EpCAM cancer stem cell (CSC) markers within the CD8/NOS2/COX2 expression landscape revealed positive correlations between EpCAM and inflamed stroma-restricted CD8+NOS2+COX2+ phenotypes at the tumor/stroma interface in deceased patients. Also, positive correlations between CD44v6 and COX2 were identified in immune desert regions in deceased patients. Furthermore, migrating tumor cells were shown to occur only in the CD8-NOS2+COX2+ regions, identifying a metastatic hot spot. Taken together, this study shows the strength of spatial localization analyses of the CD8/NOS2/COX2 landscape, how it shapes the tumor immune microenvironment and the selection of aggressive tumor phenotypes in distinct regions that lead to poor clinical outcomes. This technique could be beneficial for describing tumor niches with increased aggressiveness that may respond to clinically available NOS2/COX2 inhibitors or immune-modulatory agents.

A strong correlation between NOS2 and COX2 tumor expression and poor clinical outcomes in ER-breast cancer has been established. However, mechanisms of tumor induction of these enzymes are unclear. Analysis of The Cancer Genome Atlas (TCGA) revealed correlations between NOS2 and COX2 expression and Th1 cytokines. Herein, single cell RNAseq analysis of TNBC cells shows potent NOS2 and COX2 induction by IFNγ combined with IL1β or TNFα. Given that IFNγ is secreted by cytolytic lymphocytes, which improve clinical outcomes, this role of IFNγpresents a dichotomy. To explore this conundrum, tumor NOS2, COX2, and CD8 + T cells were spatially analyzed in aggressive ER-, TNBC, and HER2+ breast tumors. High expression and clustering of NOS2-expressing tumor cells occurred at the tumor/stroma interface in the presence of stroma-restricted CD8 + T cells. High expression and clustering of COX2-expressing tumor cells extended into immune desert regions in the tumor core where CD8 + T cell penetration was limited or absent. Moreover, high NOS2-expressing tumor cells were proximal to areas with increased satellitosis suggestive of cell clusters with a higher metastatic potential. Further in vitro experiments revealed that IFNγ+IL1β/TNFα increased elongation and migration of treated tumor cells. This spatial analysis of the tumor microenvironment provides important insight of distinct neighborhoods where stroma-restricted CD8 + T cells exist proximal to NOS2-expressing tumor niches that could have increased metastatic potential.

Nitric oxide (NO) and reactive nitrogen species (RNS) exert profound biological impacts dictated by their chemistry. Understanding their spatial distribution is essential for deciphering their roles in diverse biological processes. This review establishes a framework for the chemical biology of NO and RNS, exploring their dynamic reactions within the context of cancer. Concentration-dependent signaling reveals distinctive processes in cancer, with three levels of NO influencing oncogenic properties. In this context, NO plays a crucial role in cancer cell proliferation, metastasis, chemotherapy resistance, and immune suppression. Increased NOS2 expression correlates with poor survival across different tumors, including breast cancer. Additionally, NOS2 can crosstalk with the proinflammatory enzyme cyclooxygenase-2 (COX-2) to promote cancer progression. NOS2 and COX-2 co-expression establishes a positive feed-forward loop, driving immunosuppression and metastasis in estrogen receptor-negative (ER-) breast cancer. Spatial evaluation of NOS2 and COX-2 reveals orthogonal expression, suggesting the unique roles of these niches in the tumor microenvironment (TME). NOS2 and COX2 niche formation requires IFN-γ and cytokine-releasing cells. These niches contribute to poor clinical outcomes, emphasizing their role in cancer progression. Strategies to target these markers include direct inhibition, involving pan-inhibitors and selective inhibitors, as well as indirect approaches targeting their induction or downstream effectors. Compounds from cruciferous vegetables are potential candidates for NOS2 and COX-2 inhibition offering therapeutic applications. Thus, understanding the chemical biology of NO and RNS, their spatial distribution, and their implications in cancer progression provides valuable insights for developing targeted therapies and preventive strategies.

Abstract Anti-tumor immune polarization is a key predictor of clinical outcomes to cancer therapy. An emerging concept influencing clinical outcome involves the spatial location of CD8 + T cells, within the tumor. Our earlier work demonstrated immunosuppressive effects of NOS2/ COX2 tumor expression. Here, we show that NOS2/COX2 levels influence the polarization and spatial location of lymphoid cells including CD8 + T cells. Importantly, elevated tumor NOS2/COX2 correlated with exclusion of CD8 + T cells from the tumor epithelium. In contrast, tumors expressing low NOS2/COX2 had increased CD8 + T cell penetration into the tumor epithelium. Consistent with a causative relationship between these observations, pharmacological inhibition of COX2 with indomethacin dramatically reduced tumor growth of the 4T1 model of TNBC in both WT and Nos2 -/- mice. This regimen led to complete tumor regression in ∼20% of tumor-bearing Nos2 -/- mice, and these animals were resistant to tumor rechallenge. Th1 cytokines were elevated in the blood of treated mice and intratumoral CD4 + and CD8 + T cells were higher in mice that received indomethacin when compared to control untreated mice. Multiplex immunofluorescence imaging confirmed our phenotyping results and demonstrated that targeted Nos2/Cox2 blockade improved CD8 + T cell penetration into the 4T1 tumor core. These findings are consistent with our observations in low NOS2/COX2 expressing breast tumors` proving that COX2 activity is responsible for limiting the spatial distribution of effector T cells in TNBC. Together these results suggest that clinically available NSAID’s may provide a cost-effective, novel immunotherapeutic approach for treatment of aggressive tumors including triple negative breast cancer.