Independent studies indicate that expression of sialylated fucosylated mucins by human carcinomas portends a poor prognosis because of enhanced metastatic spread of tumor cells, that carcinoma metastasis in mice is facilitated by formation of tumor cell complexes with blood platelets, and that metastasis can be attenuated by a background of P-selectin deficiency or by treatment with heparin. The effects of heparin are not primarily due to its anticoagulant action. Other explanations have been suggested but not proven. Here, we bring together all these unexplained and seemingly disparate observations, showing that heparin treatment attenuates tumor metastasis in mice by inhibiting P-selectin-mediated interactions of platelets with carcinoma cell-surface mucin ligands. Selective removal of tumor mucin P-selectin ligands, a single heparin dose, or a background of P-selectin deficiency each reduces tumor cell-platelet interactions in vitro and in vivo . Although each of these maneuvers reduced the in vivo interactions for only a few hours, all markedly reduce long-term organ colonization by tumor cells. Three-dimensional reconstructions by using volume-rendering software show that each situation interferes with formation of the platelet “cloak” around tumor cells while permitting an increased interaction of monocytes (macrophage precursors) with the malignant cells. Finally, we show that human P-selectin is even more sensitive to heparin than mouse P-selectin, giving significant inhibition at concentrations that are in the clinically acceptable range. We suggest that heparin therapy for metastasis prevention in humans be revisited, with these mechanistic paradigms in mind.

Genetic analysis in Caenorhabditis elegans has uncovered essential roles for DAF-16 in longevity, metabolism, and reproduction. The mammalian orthologs of DAF-16, the closely-related FOXO subclass of forkhead transcription factors (FKHR/FOXO1, FKHRL1/FOXO3a, and AFX/FOXO4), also have important roles in cell cycle arrest, apoptosis and stress responses in vitro, but their in vivo physiological roles are largely unknown. To elucidate their role in normal development and physiology, we disrupted each of the Foxo genes in mice. Foxo1-null embryos died on embryonic day 10.5 as a consequence of incomplete vascular development. Foxo1-null embryonic and yolk sac vessels were not well developed at embryonic day 9.5, and Foxo1 expression was found in a variety of embryonic vessels, suggesting a crucial role of this transcription factor in vascular formation. On the other hand, both Foxo3a- and Foxo4-null mice were viable and grossly indistinguishable from their littermate controls, indicating dispensability of these two members of the Foxo transcription factor family for normal vascular development. Foxo3a-null females showed age-dependent infertility and had abnormal ovarian follicular development. In contrast, histological analyses of Foxo4-null mice did not identify any consistent abnormalities. These results demonstrate that the physiological roles of Foxo genes are functionally diverse in mammals.

Humans are genetically unable to produce the sialic acid N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc), because of a mutation that occurred after our last common ancestor with great apes. Although Neu5Gc is presumed absent from normal humans, small amounts have been claimed to exist in human tumors and fetal meconium. We have generated an antibody with high specificity and avidity for Neu5Gc. Fetal tissues, normal adult tissues, and breast carcinomas from humans showed reactivity to this antibody, primarily within secretory epithelia and blood vessels. The presence of small amounts of Neu5Gc was confirmed by MS. Absent any known alternate pathway for its synthesis, we reasoned that these small amounts of Neu5Gc might originate from exogenous sources. Indeed, human cells fed with Neu5Gc incorporated it into endogenous glycoproteins. When normal human volunteers ingested Neu5Gc, a portion was absorbed and eliminated in urine, and small quantities were incorporated into newly synthesized glycoproteins. Neu5Gc has never been reported in plants or microbes to our knowledge. We found that Neu5Gc is rare in poultry and fish, common in milk products, and enriched in red meats. Furthermore, normal humans have variable amounts of circulating IgA, IgM, and IgG antibodies against Neu5Gc, with the highest levels comparable to those of the previously known anti-alpha-galactose xenoreactive antibodies. This finding represents an instance wherein humans absorb and metabolically incorporate a nonhuman dietary component enriched in foods of mammalian origin, even while generating xenoreactive, and potentially autoreactive, antibodies against the same molecule. Potential implications for human diseases are briefly discussed.

Selectins are adhesion receptors that normally recognize certain vascular mucin-type glycoproteins bearing the carbohydrate structure sialyl-Lewis x . The clinical prognosis and metastatic progression of many epithelial carcinomas has been correlated independently with production of tumor mucins and with enhanced expression of sialyl-Lewis x . Metastasis is thought to involve the formation of tumor-platelet-leukocyte emboli and their interactions with the endothelium of distant organs. We provide a link between these observations by showing that P-selectin, which normally binds leukocyte ligands, can promote tumor growth and facilitate the metastatic seeding of a mucin-producing carcinoma. P-selectin-deficient mice showed significantly slower growth of subcutaneously implanted human colon carcinoma cells and generated fewer lung metastases from intravenously injected cells. Three potential pathophysiological mechanisms are demonstrated: first, intravenously injected tumor cells home to the lungs of P-selectin deficient mice at a lower rate; second, P-selectin-deficient mouse platelets fail to adhere to tumor cell-surface mucins; and third, tumor cells lodged in lung vasculature after intravenous injection often are decorated with platelet clumps, and these are markedly diminished in P-selectin-deficient animals.

P-selectin facilitates human carcinoma metastasis in immunodeficient mice by mediating early interactions of platelets with bloodborne tumor cells via their cell surface mucins, and this process can be blocked by heparin [Borsig, L., Wong, R., Feramisco, J., Nadeau, D. R., Varki, N. M. & Varki, A. (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 3352–3357]. Here we show similar findings with a murine adenocarcinoma in syngeneic immunocompetent mice but involving a different P-selectin ligand, possibly a sulfated glycolipid. Thus, metastatic spread can be facilitated by tumor cell selectin ligands other than mucins. Surprisingly, L-selectin expressed on endogenous leukocytes also facilitates metastasis in both the syngeneic and xenogeneic (T and B lymphocyte deficient) systems. PL-selectin double deficient mice show that the two selectins work synergistically. Although heparin can block both P- and L-selectin in vitro , the in vivo effect of a single heparin dose given before tumor cells seems to be completely accounted for by blockade of P-selectin function. Thus, L-selectin on neutrophils, monocytes, and/or NK cells has a role in facilitating metastasis, acting beyond the early time points wherein P-selectin mediates interactions of platelet with tumor cells.

Tissue factor, the cofactor for factor VIIa-catalyzed activation of factors IX and X, plays an important role in the initiation of hemostasis. However, the distribution of tissue factor in the body has not been defined until recently. In the present study frozen sections of non-malignant human tissues were immunostained using polyclonal, monospecific rabbit anti-human tissue factor antibodies. Specificity of the anti-tissue factor antibody was established by Western blotting. Sensitivity of the immunostaining technique for tissue factor antigen was confirmed by correlating staining of non-perturbed and perturbed cultured human umbilical vein endothelial cells with their surface membrane tissue factor coagulant activity. Brain, lung and placenta, all known to possess large amounts of tissue factor procoagulant activity, stained strongly for tissue factor, as did peripheral nerves and autonomic ganglia. Epithelium of skin, mucosa, and glomeruli also stained; however, epithelium lining excretory ducts failed to stain. Skeletal muscle did not stain, but cardiac muscle stained faintly. Smooth muscle also did not stain except for the muscularis mucosa of the esophagus, which stained brightly. Fibroblasts varied in stainability; those found in the adventitia of vessels stained strongly. The endothelium, tunica intima and tunica media of blood vessels consistently failed to stain. The distribution of tissue factor antigen as demonstrated by immunostaining supports the hypothesis that maintenance of a physical barrier between tissue factor activity and blood is key to the normal regulation of hemostasis.

Significance We present an unusual mechanism for the well-known association between red meat consumption and carcinoma risk involving the nonhuman sialic acid N -glycolylneuraminic acid (Neu5Gc). We first evaluate the Neu5Gc content of various foods to show that red meats are particularly rich in orally bioavailable Neu5Gc and then investigate human-like Neu5Gc-deficient mice fed this form of Neu5Gc. When such mice were challenged with anti-Neu5Gc antibodies, they developed evidence of systemic inflammation. Long-term exposure to this combination resulted in a significantly higher incidence of carcinomas (five-fold increase) and an association with Neu5Gc accumulation in the tumors. Similar mechanisms may contribute to the association of red meat consumption with other diseases, such as atherosclerosis and type 2 diabetes, which are also exacerbated by inflammation.

The Ashwell receptor, the major lectin of hepatocytes, rapidly clears from blood circulation glycoproteins bearing glycan ligands that include galactose and N-acetylgalactosamine. This asialoglycoprotein receptor activity remains a key factor in the development and administration of glycoprotein pharmaceuticals, yet a biological purpose of the Ashwell receptor has remained elusive. We have identified endogenous ligands of the Ashwell receptor as glycoproteins and regulatory components in blood coagulation and thrombosis that include von Willebrand factor (vWF) and platelets. The Ashwell receptor normally modulates vWF homeostasis and is responsible for thrombocytopenia during systemic Streptococcus pneumoniae infection by eliminating platelets desialylated by the bacterium's neuraminidase. Hemostatic adaptation by the Ashwell receptor moderates the onset and severity of disseminated intravascular coagulation during sepsis and improves the probability of host survival.

The human gene Ptpn11, which encodes the tyrosine phosphatase Shp2, may act as a proto-oncogene because dominantly activating mutations have been detected in several types of leukemia. Herein we report a tumor-suppressor function of Shp2. Hepatocyte-specific deletion of Shp2 promotes inflammatory signaling through the Stat3 pathway and hepatic inflammation/necrosis, resulting in regenerative hyperplasia and development of tumors in aged mice. Furthermore, Shp2 ablation dramatically enhanced diethylnitrosamine (DEN)-induced hepatocellular carcinoma (HCC) development, which was abolished by concurrent deletion of Shp2 and Stat3 in hepatocytes. Decreased Shp2 expression was detected in a subfraction of human HCC specimens. Thus, in contrast to the leukemogenic effect of dominant-active mutants, Ptpn11/Shp2 has a tumor-suppressor function in liver.

Human heterophile antibodies that agglutinate animal erythrocytes are known to detect the nonhuman sialic acid N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc). This monosaccharide cannot by itself fill the binding site (paratope) of an antibody and can also be modified and presented in various linkages, on diverse underlying glycans. Thus, we hypothesized that the human anti-Neu5Gc antibody response is diverse and polyclonal. Here, we use a novel set of natural and chemoenzymatically synthesized glycans to show that normal humans have an abundant and diverse spectrum of such anti-Neu5Gc antibodies, directed against a variety of Neu5Gc-containing epitopes. High sensitivity and specificity assays were achieved by using N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac)-containing probes (differing from Neu5Gc by one less oxygen atom) as optimal background controls. The commonest anti-Neu5Gc antibodies are of the IgG class. Moreover, the range of reactivity and Ig classes of antibodies vary greatly amongst normal humans, with some individuals having remarkably large amounts, even surpassing levels of some well-known natural blood group and xenoreactive antibodies. We purified these anti-Neu5Gc antibodies from individual human sera using a newly developed affinity method and showed that they bind to wild-type but not Neu5Gc-deficient mouse tissues. Moreover, they bind back to human carcinomas that have accumulated Neu5Gc in vivo. As dietary Neu5Gc is primarily found in red meat and milk products, we suggest that this ongoing antigen-antibody reaction may generate chronic inflammation, possibly contributing to the high frequency of diet-related carcinomas and other diseases in humans.