We found adult human stem cells that can generate, from a single cell, cells with the characteristics of the three germ layers. The cells are stress-tolerant and can be isolated from cultured skin fibroblasts or bone marrow stromal cells, or directly from bone marrow aspirates. These cells can self-renew; form characteristic cell clusters in suspension culture that express a set of genes associated with pluripotency; and can differentiate into endodermal, ectodermal, and mesodermal cells both in vitro and in vivo. When transplanted into immunodeficient mice by local or i.v. injection, the cells integrated into damaged skin, muscle, or liver and differentiated into cytokeratin 14-, dystrophin-, or albumin-positive cells in the respective tissues. Furthermore, they can be efficiently isolated as SSEA-3(+) cells. Unlike authentic ES cells, their proliferation activity is not very high and they do not form teratomas in immunodeficient mouse testes. Thus, nontumorigenic stem cells with the ability to generate the multiple cell types of the three germ layers can be obtained through easily accessible adult human mesenchymal cells without introducing exogenous genes. These unique cells will be beneficial for cell-based therapy and biomedical research.

Abstract Metastasis is responsible for approximately 90% of cancer-associated mortality but few models exist that allow for rapid and effective screening of anti-metastasis drugs. Current mouse models of metastasis are too expensive and time consuming to use for rapid and high-throughput screening. Therefore, we created a unique screening concept utilizing conserved mechanisms between zebrafish gastrulation and cancer metastasis for identification of potential anti-metastatic drugs. We hypothesized that small chemicals that interrupt zebrafish gastrulation might also suppress metastatic progression of cancer cells and developed a phenotype-based chemical screen to test the hypothesis. The screen used epiboly, the first morphogenetic movement in gastrulation, as a marker and enabled 100 chemicals to be tested in five hours. The screen tested 1280 FDA-approved drugs and identified Pizotifen, an antagonist for serotonin receptor 2C (HTR2C) as an epiboly-interrupting drug. Pharmacologic and genetic inhibition of HTR2C suppressed metastatic progression in a mouse model. Blocking HTR2C with Pizotifen restored epithelial properties to metastatic cells through inhibition of Wnt-signaling. In contrast, HTR2C induced epithelial to mesenchymal transition (EMT) through activation of Wnt-signaling and promoted metastatic dissemination of human cancer cells in a zebrafish xenotransplantation model. Taken together, our concept offers a novel platform for discovery of anti-metastasis drugs.

Abstract Abnormal biosyntheses of steroid hormones and dysregulation of steroid hormone receptors contribute to breast cancer metastasis but the mechanisms of that are poorly understand. Here we report a stress hormone producing enzyme, Hydroxysteroid (11-Beta) Dehydrogenase 1 (HSD11β1) promotes breast cancer metastasis. HSD11β1 was ectopically expressed in seventy-one percent of triple-negative breast tumors and correlated with shorter overall survival. HSD11β1 significantly promoted breast cancer metastasis through induction of epithelial-to-mesenchymal transition (EMT); conversely, pharmacologic and genetic inhibition of HSD11β1 suppressed metastatic progression of breast cancer cells. Moreover, 11-hydroxyprogesterone (11-OHP) whom HSD11β1 produced in breast cancer cells, conferred metastatic properties on non-metastatic breast cancer cells through induction of EMT. We identified Peroxisome Proliferator-activated Receptor Alpha (PPAR-α) as essential for both HSD11β1 and 11OHP-driven EMT. Knockdown of PPAR-α induced MET on HSD11β1-expressing breast cancer cells. Taken together, HSD11β1 promotes breast cancer metastasis and would be a novel target for suppressing breast cancer metastasis.

Abstract Metastasis, a leading contributor to the morbidity of cancer patients, occurs through multiple steps. As each of these steps is promoted by different molecular mechanisms, blocking metastasis needs to target each of these steps. Here we report that cinnamon bark extract (CBE) has a suppressor effect on metastatic dissemination of cancer cells. Though a zebrafish embryo screen which utilizes conserved mechanisms between metastasis and zebrafish gastrulation for identifying anti-metastasis drugs, CBE was identified to interfere with gastrulation progression of zebrafish. A zebrafish xenotransplantation model of metastasis validated that CBE suppressed metastatic dissemination of human cancer cells (MDA-MB-231). Interestingly, quantitative metabolome analyses revealed that CBE-treated MDA-MB-231 cells disrupted the production of glucose 6-phosphate (G6P) and fructose 6-phosphate (F6P), which are intermediate metabolites of glycolytic metabolism. CBE decreased the expression of hexokinase 2 (HK2), which catalyzes G6P production, and pharmacological inhibition of HK2 suppressed cell invasion and migration of MDA-MB-231 cells. Taken together, CBE suppressed metastatic dissemination of human cancer cells by inhibiting glycolytic metabolism.

Abstract Few models exist that allow for rapid and effective screening of anti-metastasis drugs. Here, we present a phenotype-based chemical screen utilizing gastrulation of zebrafish embryos for identification of anti-metastasis drugs. Based on the evidence that metastasis proceeds through utilizing the molecular mechanisms of gastrulation, we hypothesize that chemicals which interrupt zebrafish gastrulation might suppress metastasis of cancer cells. Thus, we developed a drug screening protocol which uses epiboly, the first morphogenetic movement in gastrulation, as a marker. The screen only needs zebrafish embryos and enables hundreds of chemicals to be tested in five hours through observing epiboly progression of a test chemical-treated embryos. In the screen, embryos at the two-cell stage are firstly corrected and then developed to the sphere stage. The embryos are treated with a test chemical and incubated in the presence of the chemical until vehicle-treated embryos develop to 90% epiboly stage. Finally, positive ‘hit’ chemicals that interrupt epiboly progression are selected through comparing epiboly progression of the chemical-treated embryos with that of vehicle-treated embryos under a stereoscopic microscope. Previous study subjected 1,280 FDA-approved drugs to the screen and identified Adrenosterone and Pizotifen as epiboly-interrupting drugs. These drugs were validated to suppress metastasis of breast cancer cells in mice models of metastasis. Furthermore, 11β–Hydroxysteroid Dehydrogenase 1 (HSD11β1) and serotonin receptor 2C (HTR2C), which are primary target of Adrenosterone and Pizotifen respectively, promotes metastasis through induction of epithelial-mesenchymal transition (EMT). That indicates the screen could be diverted to a chemical genetic screening platform for identification of metastasis-promoting genes.

Epithelial‐to‐mesenchymal transition (EMT) contributes to the poor prognosis of patients with cancer by promoting distant metastasis and anti‐cancer drug resistance. Several distinct metabolic alterations have been identified as key EMT phenotypes. In the present study, we further characterize the role of transforming growth factor‐β (TGF‐β)‐induced EMT in non‐small‐cell lung cancer. Our study revealed that TGF‐β plays a role in EMT functions by upregulation of cytidine 5′‐triphosphate synthetase 1 (CTPS), a vital enzyme for CTP biosynthesis in the pyrimidine metabolic pathway. Both knockdown and enzymatic inhibition of CTPS reduced TGF‐β‐induced changes in EMT marker expression, chemoresistance and migration in vitro . Moreover, CTPS knockdown counteracted the TGF‐β‐mediated downregulation of UDP‐glucuronate, glutarate, creatine, taurine and nicotinamide. These findings indicate that CTPS plays a multifaceted role in EMT metabolism, which is crucial for the malignant transformation of cancer through EMT, and underline its potential as a promising therapeutic target for preventing drug resistance and metastasis in non‐small‐cell lung cancer.