A fundamental question in cancer biology is whether cells with tumorigenic potential are common or rare within human cancers. Studies on diverse cancers, including melanoma, have indicated that only rare human cancer cells (0.1–0.0001%) form tumours when transplanted into non-obese diabetic/severe combined immunodeficiency (NOD/SCID) mice. However, the extent to which NOD/SCID mice underestimate the frequency of tumorigenic human cancer cells has been uncertain. Here we show that modified xenotransplantation assay conditions, including the use of more highly immunocompromised NOD/SCID interleukin-2 receptor gamma chain null (Il2rg-/-) mice, can increase the detection of tumorigenic melanoma cells by several orders of magnitude. In limiting dilution assays, approximately 25% of unselected melanoma cells from 12 different patients, including cells from primary and metastatic melanomas obtained directly from patients, formed tumours under these more permissive conditions. In single-cell transplants, an average of 27% of unselected melanoma cells from four different patients formed tumours. Modifications to xenotransplantation assays can therefore dramatically increase the detectable frequency of tumorigenic cells, demonstrating that they are common in some human cancers. Cancer stem cells in human tumours have been defined in functional experiments as cells that are tumorigenic and self-renew when transplanted into immunocompromised mice. It has been shown for a number of tumour types that such cells are relatively rare. This has informed some approaches to therapy based on a 'cancer stem cell model', which targets these stem cells, rather than a whole tumour or cell population. New work suggests that for human melanomas at least, the cancer stem cell model may not apply. Rather, tumorigenic potential is a common attribute of melanoma cells. The experiments took melanoma cells from twelve patients, and using a xenotransplantation assay, found that about a quarter of the melanoma cells were tumour producing in mice. This suggests that a broad spectrum of cancer cells has the potential to contribute to tumour progression, and raises doubts over therapies specifically directed against small 'cancer stem cell' populations. The cover image depicts melanoma cells and tumours formed from such cells. Cancer stem cells in human tumours have been defined as cells that are tumourigenic and self-renew when transplanted into immunocompromised mice. It has been shown in a number of tumour types that such cancer stem cells exist at relatively low frequencies. This paper now shows that in human melanomas at least, there is a high proportion of tumourigenic cells when the conditions for such transplanation experiments are modified, casting doubt on the generality of the cancer stem cell model.

Summary

 We investigated whether melanoma is hierarchically organized into phenotypically distinct subpopulations of tumorigenic and nontumorigenic cells or whether most melanoma cells retain tumorigenic capacity, irrespective of their phenotype. We found 28% of single melanoma cells obtained directly from patients formed tumors in NOD/SCID IL2Rγ^null mice. All stage II, III, and IV melanomas obtained directly from patients had common tumorigenic cells. All tumorigenic cells appeared to have unlimited tumorigenic capacity on serial transplantation. We were unable to find any large subpopulation of melanoma cells that lacked tumorigenic potential. None of 22 heterogeneously expressed markers, including CD271 and ABCB5, enriched tumorigenic cells. Some melanomas metastasized in mice, irrespective of whether they arose from CD271⁻ or CD271⁺ cells. Many markers appeared to be reversibly expressed by tumorigenic melanoma cells.

Using pair-end transcriptome sequencing, this study provides the identification of Raf pathway gene rearrangements in a small proportion of prostate and gastric cancers and in melanomas. The fusion proteins show tumorigenic potential and represent a unique activating alteration of this oncogenic pathway, which seems to be mutually exclusive from known cancer-associated Raf mutations. This suggests that therapeutic Raf inhibition can be expanded to this fusion-harboring subset of solid tumors. Although recurrent gene fusions involving erythroblastosis virus E26 transformation-specific (ETS) family transcription factors are common in prostate cancer, their products are considered 'undruggable' by conventional approaches. Recently, rare targetable gene fusions involving the anaplastic lymphoma receptor tyrosine kinase (ALK) gene, have been identified in 1–5% of lung cancers1, suggesting that similar rare gene fusions may occur in other common epithelial cancers, including prostate cancer. Here we used paired-end transcriptome sequencing to screen ETS rearrangement–negative prostate cancers for targetable gene fusions and identified the SLC45A3-BRAF (solute carrier family 45, member 3–v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1) and ESRP1-RAF1 (epithelial splicing regulatory protein-1–v-raf-1 murine leukemia viral oncogene homolog-1) gene fusions. Expression of SLC45A3-BRAF or ESRP1-RAF1 in prostate cells induced a neoplastic phenotype that was sensitive to RAF and mitogen-activated protein kinase kinase (MAP2K1) inhibitors. Screening a large cohort of patients, we found that, although rare, recurrent rearrangements in the RAF pathway tend to occur in advanced prostate cancers, gastric cancers and melanoma. Taken together, our results emphasize the key role of RAF family gene rearrangements in cancer, suggest that RAF and MEK inhibitors may be useful in a subset of gene fusion–harboring solid tumors and demonstrate that sequencing of tumor transcriptomes and genomes may lead to the identification of rare targetable fusions across cancer types.

Abstract Merkel cell carcinoma (MCC) is a rare but highly aggressive cutaneous neuroendocrine tumor. Merkel cell polyomavirus (MCPyV) may contribute to tumorigenesis in a subset of tumors via inhibition of tumor suppressors such as retinoblastoma (RB1) by mutated viral T antigens, but the molecular pathogenesis of MCPyV-negative MCC is largely unexplored. Through our MI-ONCOSEQ precision oncology study, we performed integrative sequencing on two cases of MCPyV-negative MCC, as well as a validation cohort of 14 additional MCC cases (n = 16). In addition to previously identified mutations in TP53, RB1, and PIK3CA, we discovered activating mutations of oncogenes, including HRAS and loss-of-function mutations in PRUNE2 and NOTCH family genes in MCPyV-negative MCC. MCPyV-negative tumors also displayed high overall mutation burden (10.09 ± 2.32 mutations/Mb) and were characterized by a prominent UV-signature pattern with C > T transitions comprising 85% of mutations. In contrast, mutation burden was low in MCPyV-positive tumors (0.40 ± 0.09 mutations/Mb) and lacked a UV signature. These findings suggest a potential ontologic dichotomy in MCC, characterized by either viral-dependent or UV-dependent tumorigenic pathways. Cancer Res; 75(18); 3720–7. ©2015 AACR.

Abstract Cutaneous melanoma remains the most lethal skin cancer, and ranks third among all malignancies in terms of years of life lost. Despite the advent of immune checkpoint and targeted therapies, only roughly half of patients with advanced melanoma achieves a durable remission. SIRT5 is a member of the sirtuin family of protein deacylases that regulate metabolism and other biological processes. Germline Sirt5 deficiency is associated with mild phenotypes in mice. Here we show that SIRT5 is required for proliferation and survival across all cutaneous melanoma genotypes tested, as well as uveal melanoma, a genetically distinct melanoma subtype that arises in the eye and is incurable once metastatic. Likewise, SIRT5 is required for efficient tumor formation by melanoma xenografts and in an autochthonous mouse Braf;Pten -driven melanoma model. Via metabolite and transcriptomic analyses, we find that SIRT5 is required to maintain histone acetylation and methylation levels in melanoma cells, thereby promoting proper gene expression. SIRT5-dependent genes notably include MITF , a key lineage-specific survival oncogene in melanoma, and the c-MYC proto-oncogene. SIRT5 may represent a novel, druggable genotype-independent addiction in melanoma.