BackgroundThe epidermal growth factor receptor (EGFR) and Notch signaling pathways have been implicated in self-renewal of normal breast stem cells. We investigated the involvement of these signaling pathways in ductal carcinoma in situ (DCIS) of the breast.

Abstract Breast cancer remains a leading cause of mortality, predominantly due to the development of metastases to vital organs. At present, predictive biomarkers of organ specific metastasis and therapies targeted to the metastatic niche are limited. Here, to identify the molecular determinants of breast cancer metastasis we analysed patient-derived breast tumours by combining quantitative proteomics, bioinformatics, and functional assays in vitro and in vivo. We identified elevated levels of the protein Osteomodulin (OMD) associated with breast cancer bone metastases in patient-derived samples. OMD overexpression in the breast cancer MDA-MB-231 cell model significantly increases cell migration in vitro and promotes the formation of bone metastases in vivo . Phosphoproteomics analysis of MDA-MB-231 cells expressing OMD identifies active Cyclin-dependent kinase 1 (CDK1) downstream of OMD. The importance of the OMD-CDK1 axis was validated using two independent phosphoproteomics datasets analysing patient-derived breast cancer samples. We also show that the OMD-CDK1 axis drives cell migration and cell viability in vitro and the formation of bone metastases in vivo . Finally, CDK1 inhibition reduces in vitro cell viability of an independent cohort of metastatic patient samples showing high CDK1 activity. Therefore, the OMD-CDK1 axis will determine which breast cancer patients develop bone metastases and is a therapeutic target to treat or prevent breast cancer bone metastases.

PURPOSE: Estrogen receptor (ER) positive breast cancer is frequently sensitive to endocrine therapy. Multiple mechanisms of endocrine therapy resistance have been identified, including cancer stem-like cell (CSC) activity. Sulforaphane (SFN) has previously been shown to target CSCs but its mechanism of action is unclear. Here we investigate SFX-01, a stabilised formulation of SFN, for its effects on breast CSC activity in ER+ preclinical models and to study its mechanism. EXPERIMENTAL DESIGN: CSC activity was measured by mammosphere formation efficiency (MFE), aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity, and tumor formation using patient samples and patient-derived xenograft (PDX) tumors treated with SFX-01 alone or in combination with tamoxifen or fulvestrant. Gene expression and SFN target proteins in treated samples were assessed. RESULTS: SFX-01 reduced MFE of both ER+ primary and metastatic patient samples. Both tamoxifen and fulvestrant increased MFE and ALDH activity of PDX tumors, which was reversed by combination with SFX-01. SFX-01 significantly reduced tumor initiating cell frequency in secondary transplants at limiting dilution and reduced the formation of spontaneous lung micrometastases by PDX tumors in mice. Mechanistically, we establish that both tamoxifen and fulvestrant induce STAT3 phosphorylation. SFX-01 suppressed phospho-STAT3 and SFN directly bound STAT3 in patient and PDX samples. Analysis of ALDH+ cells from endocrine-resistant patient samples revealed activation of STAT3 target genes MUC1 and OSMR, which were inhibited by SFX-01 in patient samples. Increased expression of these genes after 3 months' endocrine treatment of ER+ patients (n=68) predicted poor prognosis. CONCLUSIONS: Our data establish the importance of STAT3 signaling in CSC-mediated resistance to endocrine therapy and the potential of SFX-01 for improving clinical outcomes in ER+ breast cancer.