SUMMARY Bone metastatic relapse is a lethal consequence of breast cancer, occurring years after initial diagnosis. By analyzing single-cell transcriptomes of bone-seeding tumor cells and in vivo barcoded cDNA library screening, LTβ (lymphotoxin-β) is identified as a key factor highly expressed in early-stage bone metastatic cells, associated with poor bone metastasis-free survival, and capable of promoting dormancy reactivation in multiple breast cancer models. Mechanistically, tumor-derived LTβ activates NF-κB2 signaling in osteoblasts to express CCL2/5, facilitating tumor cell seeding and accelerating osteoclastogenesis. Both processes contribute to the reactivation of dormancy and metastatic outgrowth. Blocking LTβ signaling with a decoy receptor significantly suppressed bone colonization and metastatic progression, whereas clinical sample analysis revealed significantly higher LTβ expression in bone metastases than in primary tumors. Our findings highlight LTβ as a bone niche-induced factor that promotes tumor cell seeding and dormancy reactivation, underscoring its potential as a therapeutic target for preventing bone metastatic relapse in patients with breast cancer.

Abstract Tamoxifen is the frontline therapeutic agent for the estrogen receptor-positive (ER+) subtype of breast cancer patients, which accounts for 70-80% of total breast cancer incidents. However, clinical resistance to tamoxifen has become increasingly common, highlighting the need to identify the underlying cellular mechanisms. In our study, we employed a genome-scale CRISPR-Cas9 loss-of-function screen and validation experiments to discover that Tafazzin (TAZ), a mitochondrial transacylase, is crucial for maintaining the cellular sensitivity of ER+ breast cancer cells to tamoxifen and other chemotherapies. Mechanistically, we found that cardiolipin, whose synthesis and maturation rely on TAZ, is required to maintain cellular resistance to tamoxifen. Loss of metabolic enzymatic activity of TAZ causes ERα downregulation and therapy resistance. Interestingly, we observed that TAZ deficiency also led to the upregulation of lysophosphatidylcholine (LPC), which in turn suppressed ERα expression and nuclear localization, thereby contributing to tamoxifen resistance. LPC is further metabolized to lysophosphatidic acid (LPA), a bioactive molecule that supports cell survival. Thus, our findings suggest that the depletion of TAZ promotes tamoxifen resistance through an LPC-LPA phospholipid synthesis axis, and targeting this lipid metabolic pathway could restore cell susceptibility to tamoxifen treatment.

ABSTRACT Seventy percent of patients with late-stage breast cancer develop distal bone metastases; however, the mechanism by which the metabolic microenvironment affects resistance to therapy remains unknown. We investigated the metabolic bone microenvironment and identified glutathione metabolism as the top pathway in osteoclasts, which provides feedback to tumor cells to help neutralize oxidative stress and generate PARP inhibitor (PARPi) therapy resistance. GPX4, the critical enzyme responsible for glutathione oxidation, was upregulated during PARPi therapy through stress-induced ATF4-dependent transcriptional programming. The increased absorption of glutamine and the upregulation of GPX4 expression work in concert to enhance glutathione metabolism in cancer cells. Human clinical sample analysis of paired primary breast tumor and bone metastasis samples revealed that GPX4 was significantly induced in bone metastases. Combination therapy utilizing PARPi and zoledronate, which blocks osteoclast activity and thereby reduces the microenvironmental glutamine supply, generates a synergistic effect in reducing bone metastasis. Thus, our results identified an essential metabolic symbiosis between bone-resident cells and metastatic cancer cells during PARPi therapy. SIGNIFICANCE Osteoclast-derived glutamine is taken up by tumor cells to synthesize glutathione and neutralize the ROS generated by PARPi. This is the first example of “metabolic symbiosis” in therapeutic resistance of bone metastasis.