Glioblastomas are highly lethal cancers that contain cellular hierarchies with self-renewing cancer stem cells that can propagate tumors in secondary transplant assays. The potential significance of cancer stem cells in cancer biology has been demonstrated by studies showing contributions to therapeutic resistance, angiogenesis, and tumor dispersal. We recently reported that physiologic oxygen levels differentially induce hypoxia inducible factor-2α (HIF2α) levels in cancer stem cells. HIF1α functioned in proliferation and survival of all cancer cells but also was activated in normal neural progenitors suggesting a potentially restricted therapeutic index while HIF2α was essential in only in cancer stem cells and was not expressed by normal neural progenitors demonstrating HIF2α is a cancer stem cell specific target. We now extend these studies to examine the role of hypoxia in regulating tumor cell plasticity. We find that hypoxia promotes the self-renewal capability of the stem and non-stem population as well as promoting a more stem-like phenotype in the non-stem population with increased neurosphere formation as well as upregulation of important stem cell factors, such as OCT4, NANOG, and c-MYC. The importance of HIF2α was further supported as forced expression of non-degradable HIF2α induced a cancer stem cell marker and augmented the tumorigenic potential of the non-stem population. This novel finding may indicate a specific role of HIF2α in promoting glioma tumorigenesis. The unexpected plasticity of the non-stem glioma population and the stem-like phenotype emphasizes the importance of developing therapeutic strategies targeting the microenvironmental influence on the tumor in addition to cancer stem cells.

The great escape Mitochondrial DNA (mtDNA) is a potent damage-associated molecular pattern that, if it reaches the cytoplasm or extracellular milieu, triggers innate immune pathways. mtDNA signaling has been implicated in a wide range of diseases; however, the mechanisms of mtDNA release are unclear, and the process has not been observed in real time thus far. McArthur et al. used live-cell lattice light-sheet microscopy to look at mtDNA release during intrinsic apoptosis. Activation of the pro-death proteins BAK and BAX resulted in the formation of large macro-pores in the mitochondrial outer membrane. These massive holes caused the inner mitochondrial membrane to balloon out into the cytoplasm, resulting in mitochondrial herniation. This process allowed the contents of the mitochondrial matrix, including mtDNA, to escape into the cytoplasm. Science , this issue p. eaao6047

Cancer stem cells (CSCs) are a subpopulation of tumor cells suggested to be critical for tumor maintenance, metastasis, and therapeutic resistance. Prospective identification and targeting of CSCs are therefore priorities for the development of novel therapeutic paradigms. Although CSC enrichment has been achieved with cell surface proteins including CD133 (Prominin-1), the roles of current CSC markers in tumor maintenance remain unclear. We examined the glioblastoma stem cell (GSC) perivascular microenvironment in patient specimens to identify enrichment markers with a functional significance and identified integrin α6 as a candidate. Integrin α6 is coexpressed with conventional GSC markers and enriches for GSCs. Targeting integrin α6 in GSCs inhibits self-renewal, proliferation, and tumor formation capacity. Our results provide evidence that GSCs express high levels of integrin α6, which can serve not only as an enrichment marker but also as a promising antiglioblastoma therapy.

Abstract Low oxygen levels have been shown to promote self-renewal in many stem cells. In tumors, hypoxia is associated with aggressive disease course and poor clinical outcomes. Furthermore, many aggressive tumors have been shown to display gene expression signatures characteristic of human embryonic stem cells (hESC). We now tested whether hypoxia might be responsible for the hESC signature observed in aggressive tumors. We show that hypoxia, through hypoxia-inducible factor (HIF), can induce an hESC-like transcriptional program, including the induced pluripotent stem cell (iPSC) inducers, OCT4, NANOG, SOX2, KLF4, cMYC, and microRNA-302 in 11 cancer cell lines (from prostate, brain, kidney, cervix, lung, colon, liver, and breast tumors). Furthermore, nondegradable forms of HIFα, combined with the traditional iPSC inducers, are highly efficient in generating A549 iPSC-like colonies that have high tumorigenic capacity. To test potential correlation between iPSC inducers and HIF expression in primary tumors, we analyzed primary prostate tumors and found a significant correlation between NANOG-, OCT4-, and HIF1α-positive regions. Furthermore, NANOG and OCT4 expressions positively correlated with increased prostate tumor Gleason score. In primary glioma-derived CD133 negative cells, hypoxia was able to induce neurospheres and hESC markers. Together, these findings suggest that HIF targets may act as key inducers of a dynamic state of stemness in pathologic conditions. Cancer Res; 71(13); 4640–52. ©2011 AACR.

We have developed a coherent Raman imaging platform using broadband coherent anti-Stokes Raman scattering (BCARS) that provides an unprecedented combination of speed, sensitivity, and spectral breadth. The system utilizes a unique configuration of laser sources that probes the Raman spectrum over 3,000 cm$^{-1}$ and generates an especially strong response in the typically weak Raman "fingerprint" region through heterodyne amplification of the anti-Stokes photons with a large nonresonant background (NRB) while maintaining high spectral resolution of $<$ 13 cm$^{-1}$. For histology and pathology, this system shows promise in highlighting major tissue components in a non-destructive, label-free manner. We demonstrate high-speed chemical imaging in two- and three-dimensional views of healthy murine liver and pancreas tissues and interfaces between xenograft brain tumors and the surrounding healthy brain matter.

Malignant gliomas are lethal cancers that display cellular hierarchies with cancer stem cells at the apex. Glioma stem cells (GSCs) are not uniformly distributed, but rather located in specialized niches, suggesting that the cancer stem cell phenotype is regulated by the tumor microenvironment. Indeed, recent studies show that hypoxia and its molecular responses regulate cancer stem cell maintenance. We now demonstrate that acidic conditions, independent of restricted oxygen, promote the expression of GSC markers, self-renewal and tumor growth. GSCs exert paracrine effects on tumor growth through elaboration of angiogenic factors, and low pH conditions augment this expression associated with induction of hypoxia inducible factor 2α (HIF2α), a GSC-specific regulator. Induction of HIF2α and other GSC markers by acidic stress can be reverted by elevating pH in vitro, suggesting that raising intratumoral pH may be beneficial for targeting the GSC phenotype. Together, our results suggest that exposure to low pH promotes malignancy through the induction of a cancer stem cell phenotype, and that culturing cancer cells at lower pH reflective of endogenous tumor conditions may better retain the cellular heterogeneity found in tumors.

Abstract Glioblastomas are the most common and most lethal primary brain tumor. Recent studies implicate an important role for a restricted population of neoplastic cells (glioma stem cells (GSCs)) in glioma maintenance and recurrence. We now demonstrate that GSCs preferentially express two interleukin 6 (IL6) receptors: IL6 receptor alpha (IL6Rα) and glycoprotein 130 (gp130). Targeting IL6Rα or IL6 ligand expression in GSCs with the use of short hairpin RNAs (shRNAs) significantly reduces growth and neurosphere formation capacity while increasing apoptosis. Perturbation of IL6 signaling in GSCs attenuates signal transducers and activators of transcription three (STAT3) activation, and small molecule inhibitors of STAT3 potently induce GSC apoptosis. These data indicate that STAT3 is a downstream mediator of prosurvival IL6 signals in GSCs. Targeting of IL6Rα or IL6 expression in GSCs increases the survival of mice bearing intracranial human glioma xenografts. IL6 is clinically significant because elevated IL6 ligand and receptor expression are associated with poor glioma patient survival. The potential utility of anti-IL6 therapies is demonstrated by decreased growth of subcutaneous human GSC-derived xenografts treated with IL6 antibody. Together, our data indicate that IL6 signaling contributes to glioma malignancy through the promotion of GSC growth and survival, and that targeting IL6 may offer benefit for glioma patients.

Abstract The shuttling of transcription factors and transcriptional regulators in and out of the nucleus is central to the regulation of many biological processes. Here we describe a new method for studying the rates of nuclear entry and exit of transcriptional regulators. A photo-responsive AsLOV ( Avena sativa Light Oxygen Voltage) domain is used to sequester fluorescently-labelled transcriptional regulators YAP1 and TAZ/WWTR1 on the surface of mitochondria and reversibly release them upon blue light illumination. After dissociation, fluorescent signals from mitochondria, cytoplasm and nucleus are extracted with a bespoke app and used to generate rates of nuclear entry and exit. Using this method, we demonstrate that phosphorylation of YAP1 on canonical sites enhances its rate of nuclear export. Moreover, we provide evidences that, despite high intercellular variability, YAP1 import and export rates correlated within the same cell. By simultaneously releasing YAP1 and TAZ from sequestration, we show that their rates of entry and exit are correlated. Furthermore, tracking of light-sensitive YAP1 with lattice lightsheet microscopy revealed high heterogeneity of YAP1 dynamics within different subcellular regions, suggesting that implementing high resolution volumetric 3D data could shed light on new mechanisms of nuclear-cytoplasmic shuttling of proteins.

Abstract Upon inflammation, leukocytes rapidly transmigrate across the endothelium to enter the inflamed tissue. Evidence accumulates that leukocytes use preferred exit sites, though it is not yet clear how these hotspots in the endothelium are defined and how they are recognized by the leukocyte. Using lattice light sheet microscopy, we discovered that leukocytes prefer endothelial membrane protrusions at cell junctions for transmigration. Phenotypically, these junctional membrane protrusions are present in an asymmetric manner, meaning that one endothelial cell shows the protrusion and the adjacent one does not. Consequently, leukocytes cross the junction by migrating underneath the protruding endothelial cell. These protrusions depend on Rac1 activity and by using a photo-activatable Rac1 probe, we could artificially generate local exit-sites for leukocytes. Overall, we have discovered a new mechanism that uses local induced junctional membrane protrusions to facilitate/steer the leukocyte escape/exit from inflamed vessel walls.

Abstract Histone posttranslational modifications (PTMs) are key gene expression regulators, but their rapid dynamics during development remain difficult to capture. We describe an approach that images fluorescent antibody fragments to quantify PTM enrichment and active transcription at defined loci during zygotic genome activation in living zebrafish embryos. The technique reveals a drastic increase in histone H3 Lys27 acetylation (H3K27ac) before genome activation both at a specific locus and globally.