The emergence of migratory cell populations within tumours represents a critical early stage during cancer metastasis. We have previously reported one such population, marked by CD66, in cervical cancers. It is unclear what broad mechanisms regulate such migratory populations. Here, we describe the role of a Suv39H1-low heterochromatin state as a driver of cervical cancer migratory populations. Cervical cancer cells sorted based on migratory ability in vitro show low Suv39H1, and Suv39H1 knockdown enhances cell migration. Histopathology shows the emergence of migratory Suv39H1low populations in advanced carcinoma progression. Meta-analysis of data from The Cancer Genome Atlas (TCGA) reveals that Suv39H1-low tumours show migration and CD66 expression signatures, and correlate with lower patient survival. Lastly, genome-wide profiling of migrated populations using RNA-Seq and H3K9me3 ChIP-Seq reveals Suv39H1-linked transcriptome alterations and a broad loss of H3K9me3, suggesting an increase in chromatin plasticity in migrated populations. The understanding of such chromatin based regulation in migratory populations may prove valuable in efforts to develop anti-metastatic strategies.

Abstract Heterogeneity in phenotypes of malignantly transformed cells and aberrant glycan expression on their surface are two prominent hallmarks of cancers that have hitherto not been linked to each other. In this paper, we identify heterogeneity in a specific glycan linkage: α2,6-linked sialic acids within breast cancer cells in vivo and in culture. Upon sorting out two populations with moderate and relatively higher cell surface α2,6-linked sialic acid levels from the triple negative breast cancer cell line MDA-MB-231, both populations (denoted as medium and high-2,6-Sial cells respectively) stably retained their levels in early passages. Upon continuous culturing, medium 2,6-Sial cells recapitulated the heterogeneity of the unsorted line whereas high 2,6-Sial cells showed no such tendency. Compared with the high 2,6-Sial, the medium 2,6-Sial cells showed greater adhesion to reconstituted extracellular matrices (ECM) as well as invaded faster as single cells. The level of α2,6-linked sialic acids in the two sublines was found to be consistent with the expression of a specific glycosyl transferase, ST6GAL1 . Stably knocking down ST6GAL1 in the high 2,6-Sial cells, enhanced their invasiveness. When cultured together, medium 2,6-Sial cells differentially migrated to the edge of growing tumoroid-like cultures, whereas high 2,6-Sial cells formed the central bulk. Simulations in a Cellular Potts model-based computational environment that is calibrated to our experimental findings suggest that the heterogeneity of cell-ECM adhesion, likely regulated by α2,6-linked sialic acids facilitates niches of highly invasive cells to efficiently migrate centrifugally as the invasive front of a malignant tumor. Significance Statement Cell-surface sugars are aberrantly expressed in cancer but their contributions to tumor heterogeneity are not known. In this study, we uncover and separate breast cancer populations with distinct α2,6-linked sialic acid levels. The moderately expressing population shows stronger adhesion to extracellular matrix than the high expressing population. It also invades faster through the matrix as single cells. Combining experiments with computational modelling, we show that the heterogeneity in matrix adhesion is vital to accentuating cell invasion. In some conditions, invasion of heterogeneous populations may compare with, or exceed that of, homogeneous moderately expressing populations. Our findings are vital to furthering our understanding of how cancers spread and potentially qualify efforts to manage the disease through glycan-editing or immunotherapeutic approaches.

Abstract Aberration in expression and function of glycans and their binding proteins (lectins) in transformed cells constitutes one of the earliest discovered hallmarks of cancer. Galectins are a conserved family of lectins that can bind to β-galactosides. Among them, the role of Galectin-9, a galectin with two carbohydrate binding domains in immune-tumor cell interactions has been well-established, although its effect on cancer cell behavior remains as yet unclear. In this study, we used a spectrum of cell lines from homeostatic breast cells to transformed non-invasive and invasive cell lines cultured in microenvironment-diverse conditions to show that Galectin-9 expression shows an elevation in association with invasiveness of breast cancer epithelia. Our observations were supported by immunohistochemical studies of breast tumors and adjacent normal-tissues from patients. Genetic perturbation of Galectin-9 as well as the pharmacological inhibition of activity using cognate inhibitors confirmed a positive correlation between Galectin-9 levels and the adhesion of the aggressive triple negative breast cancer cells MDA-MB-231 to- and their invasion through-extracellular matrices (ECM). Within a constituted organomimetic multiECM microenvironment, Galectin-9 enhanced both the solitary and the collective invasion of cancer cells. Quantitative proteomics led us to uncover the inductive role of Galectin-9 in the expression of the proinvasive protein S100A4. In addition, Galectin-9 expression correlated with FAK signaling, the inhibition of which decreased S100A4 mRNA levels. Our results provide crucial signaling insights into how the elevation in Galectin-9 expression in breast cancer cells potentiates their invasiveness through ECM during early steps of metastasis.