Abstract Ewing's sarcoma family tumors (ESFT) express the EWS-FLI-1 fusion gene generated by the chromosomal translocation t(11;22)(q24;q12). Expression of the EWS-FLI-1 fusion protein in a permissive cellular environment is believed to play a key role in ESFT pathogenesis. However, EWS-FLI-1 induces growth arrest or apoptosis in differentiated primary cells, and the identity of permissive primary human cells that can support its expression and function has until now remained elusive. Here we show that expression of EWS-FLI-1 in human mesenchymal stem cells (hMSC) is not only stably maintained without inhibiting proliferation but also induces a gene expression profile bearing striking similarity to that of ESFT, including genes that are among the highest ESFT discriminators. Expression of EWS-FLI-1 in hMSCs may recapitulate the initial steps of Ewing's sarcoma development, allowing identification of genes that play an important role early in its pathogenesis. Among relevant candidate transcripts induced by EWS-FLI-1 in hMSCs, we found the polycomb group gene EZH2, which we show to play a critical role in Ewing's sarcoma growth. These observations are consistent with our recent findings using mouse mesenchymal progenitor cells and provide compelling evidence that hMSCs are candidate cells of origin of ESFT. [Cancer Res 2008;68(7):2176–85]

Abstract Cancer stem cells that display tumor-initiating properties have recently been identified in several distinct types of malignancies, holding promise for more effective therapeutic strategies. However, evidence of such cells in sarcomas, which include some of the most aggressive and therapy-resistant tumors, has not been shown to date. Here, we identify and characterize cancer stem cells in Ewing's sarcoma family tumors (ESFT), a highly aggressive pediatric malignancy believed to be of mesenchymal stem cell (MSC) origin. Using magnetic bead cell separation of primary ESFT, we have isolated a subpopulation of CD133+ tumor cells that display the capacity to initiate and sustain tumor growth through serial transplantation in nonobese diabetic/severe combined immunodeficiency mice, re-establishing at each in vivo passage the parental tumor phenotype and hierarchical cell organization. Consistent with the plasticity of MSCs, in vitro differentiation assays showed that the CD133+ cell population retained the ability to differentiate along adipogenic, osteogenic, and chondrogenic lineages. Quantitative real-time PCR analysis of genes implicated in stem cell maintenance revealed that CD133+ ESFT cells express significantly higher levels of OCT4 and NANOG than their CD133− counterparts. Taken together, our observations provide the first identification of ESFT cancer stem cells and demonstration of their MSC properties, a critical step towards a better biological understanding and rational therapeutic targeting of these tumors. [Cancer Res 2009;69(5):1776–81]

Cancer stem cells (CSCs) display plasticity and self-renewal properties reminiscent of normal tissue stem cells, but the events responsible for their emergence remain obscure. We recently identified CSCs in Ewing sarcoma family tumors (ESFTs) and showed that they retain mesenchymal stem cell (MSC) plasticity. In the present study, we addressed the mechanisms that underlie ESFT CSC development. We show that the EWS-FLI-1 fusion gene, associated with 85%–90% of ESFTs and believed to initiate their pathogenesis, induces expression of the embryonic stem cell (ESC) genes OCT4 , SOX2 , and NANOG in human pediatric MSCs (hpMSCs) but not in their adult counterparts. Moreover, under appropriate culture conditions, hpMSCs expressing EWS-FLI-1 generate a cell subpopulation displaying ESFT CSC features in vitro. We further demonstrate that induction of the ESFT CSC phenotype is the result of the combined effect of EWS-FLI-1 on its target gene expression and repression of microRNA-145 (miRNA145) promoter activity. Finally, we provide evidence that EWS-FLI-1 and miRNA-145 function in a mutually repressive feedback loop and identify their common target gene, SOX2 , in addition to miRNA145 itself, as key players in ESFT cell differentiation and tumorigenicity. Our observations provide insight for the first time into the mechanisms whereby a single oncogene can reprogram primary cells to display a CSC phenotype.

Abstract The embryonic transcription factors TWIST1/2 are frequently overexpressed in cancer, acting as multifunctional oncogenes. Here we investigate their role in neuroblastoma (NB), a heterogeneous childhood malignancy ranging from spontaneous regression to dismal outcomes despite multimodal therapy. We first reveal the association of TWIST1 expression with poor survival and metastasis in primary NB, while TWIST2 correlates with good prognosis. Secondly, suppression of TWIST1 by CRISPR/Cas9 results in a reduction of tumor growth and metastasis colonization in immunocompromised mice. Moreover, TWIST1 knockout tumors display a less aggressive cellular morphology and a reduced disruption of the extracellular matrix (ECM) reticulin network. Additionally, we identify a TWIST1-mediated transcriptional program associated with dismal outcome in NB and involved in the control of pathways mainly linked to the signaling, migration, adhesion, the organization of the ECM, and the tumor cells versus tumor stroma crosstalk. Taken together, our findings suggest TWIST1 as novel therapeutic target in NB.