By reducing the availability of extracellular L-cyst(e)ine, an engineered enzyme inhibits glutathione production and cripples antioxidant defenses of tumors in a variety of mouse models. Cancer cells experience higher oxidative stress from reactive oxygen species (ROS) than do non-malignant cells because of genetic alterations and abnormal growth; as a result, maintenance of the antioxidant glutathione (GSH) is essential for their survival and proliferation1,2,3. Under conditions of elevated ROS, endogenous L-cysteine (L-Cys) production is insufficient for GSH synthesis. This necessitates uptake of L-Cys that is predominantly in its disulfide form, L-cystine (CSSC), via the xCT(−) transporter. We show that administration of an engineered and pharmacologically optimized human cyst(e)inase enzyme mediates sustained depletion of the extracellular L-Cys and CSSC pool in mice and non-human primates. Treatment with this enzyme selectively causes cell cycle arrest and death in cancer cells due to depletion of intracellular GSH and ensuing elevated ROS; yet this treatment results in no apparent toxicities in mice even after months of continuous treatment. Cyst(e)inase suppressed the growth of prostate carcinoma allografts, reduced tumor growth in both prostate and breast cancer xenografts and doubled the median survival time of TCL1-Tg:p53−/− mice, which develop disease resembling human chronic lymphocytic leukemia. It was observed that enzyme-mediated depletion of the serum L-Cys and CSSC pool suppresses the growth of multiple tumors, yet is very well tolerated for prolonged periods, suggesting that cyst(e)inase represents a safe and effective therapeutic modality for inactivating antioxidant cellular responses in a wide range of malignancies4,5.

Polyploid giant cancer cells (PGCCs) have been observed by pathologists for over a century. PGCCs contribute to solid tumor heterogeneity, but their functions are largely undefined. Little attention has been given to these cells, largely because PGCCs have been generally thought to originate from repeated failure of mitosis/cytokinesis and have no capacity for long-term survival or proliferation. Here we report our successful purification and culture of PGCCs from human ovarian cancer cell lines and primary ovarian cancer. These cells are highly resistant to oxygen deprivation and could form through endoreduplication or cell fusion, generating regular-sized cancer cells quickly through budding or bursting similar to simple organisms like fungi. They express normal and cancer stem cell markers, they divide asymmetrically and they cycle slowly. They can differentiate into adipose, cartilage and bone. A single PGCC formed cancer spheroids in vitro and generated tumors in immunodeficient mice. These PGCC-derived tumors gained a mesenchymal phenotype with increased expression of cancer stem cell markers CD44 and CD133 and become more resistant to treatment with cisplatin. Taken together, our results reveal that PGCCs represent a resistant form of human cancer using an ancient, evolutionarily conserved mechanism in response to hypoxia stress; they can contribute to the generation of cancer stem-like cells, and also play a fundamental role in regulating tumor heterogeneity, tumor growth and chemoresistance in human cancer.

Tissue stromal cells interact with leukaemia cells and profoundly affect their viability and drug sensitivity. Here we show a biochemical mechanism by which bone marrow stromal cells modulate the redox status of chronic lymphocytic leukaemia (CLL) cells and promote cellular survival and drug resistance. Primary CLL cells from patients exhibit a limited ability to transport cystine for glutathione (GSH) synthesis owing to a low expression level of Xc-transporter. In contrast, bone marrow stromal cells effectively import cystine and convert it to cysteine, which is then released into the microenvironment for uptake by CLL cells to promote GSH synthesis. The elevated level of GSH enhances leukaemia cell survival and protects them from drug-induced cytotoxicity. Furthermore, disabling this protective mechanism significantly sensitizes CLL cells to drug treatment in the stromal environment. This stromal–leukaemia interaction is critical for CLL cell survival and represents a key biochemical pathway for effectively targeting leukaemia cells to overcome drug resistance in vivo. Chronic lymphocytic leukaemia cells depend on glutathione to counteract their high reactive oxygen species (ROS) levels. However, their ability to synthesize this antioxidant is compromised by inefficient cystine uptake. Huang and colleagues now show that bone marrow stromal cells promote leukaemia cell survival by metabolizing cystine to cysteine and releasing it into the microenvironment to be taken up by leukaemia cells.

Our recent perplexing findings that polyploid giant cancer cells (PGCCs) acquired embryonic-like stemness and were capable of tumor initiation raised two important unanswered questions: how do PGCCs acquire such stemness, and to which stage of normal development do PGCCs correspond. Intriguingly, formation of giant cells due to failed mitosis/cytokinesis is common in the blastomere stage of the preimplantation embryo. However, the relationship between PGCCs and giant blastomeres has never been studied. Here, we tracked the fate of single PGCCs following paclitaxel-induced mitotic failure. Morphologically, early spheroids derived from PGCCs were indistinguishable from human embryos at the blastomere, polyploid blastomere, compaction, morula and blastocyst-like stages by light, scanning electron or three-dimensional confocal scanning microscopy. Formation of PGCCs was associated with activation of senescence, while budding of daughter cells was associated with senescence escape. PGCCs showed time- and space-dependent activation of expression of the embryonic stem cell markers OCT4, NANOG, SOX2 and SSEA1 and lacked expression of Xist. PGCCs acquired mesenchymal phenotype and were capable of differentiation into all three germ layers in vitro. The embryonic-like stemness of PGCCs was associated with nuclear accumulation of YAP, a key mediator of the Hippo pathway. Spheroids derived from single PGCCs grew into a wide spectrum of human neoplasms, including germ cell tumors, high-grade and low-grade carcinomas and benign tissues. Daughter cells derived from PGCCs showed attenuated capacity for invasion and increased resistance to paclitaxel. We also observed formation of PGCCs and dedifferentiation in ovarian cancer specimens from patients treated with chemotherapy. Taken together, our findings demonstrate that PGCCs represent somatic equivalents of blastomeres, the most primitive cancer stem cells reported to date. Thus, our studies reveal an evolutionarily conserved archaic embryonic program in somatic cells that can be de-repressed for oncogenesis. Our work offers a new paradigm for cancer origin and disease relapse.

Chronic lymphocytic leukemia (CLL) exhibits high remission rates after initial chemoimmunotherapy, but with relapses with treatment, refractory disease is the most common outcome, especially in CLL with the deletion of chromosome 11q or 17p. In addressing the need of treatments for relapsed disease, we report the identification of an existing U.S. Food and Drug Administration-approved small-molecule drug to repurpose for CLL treatment. Auranofin (Ridaura) is approved for use in treating rheumatoid arthritis, but it exhibited preclinical efficacy in CLL cells. By inhibiting thioredoxin reductase activity and increasing intracellular reactive oxygen species levels, auranofin induced a lethal endoplasmic reticulum stress response in cultured and primary CLL cells. In addition, auranofin displayed synergistic lethality with heme oxygenase-1 and glutamate-cysteine ligase inhibitors against CLL cells. Auranofin overcame apoptosis resistance mediated by protective stromal cells, and it also killed primary CLL cells with deletion of chromosome 11q or 17p. In TCL-1 transgenic mice, an in vivo model of CLL, auranofin treatment markedly reduced tumor cell burden and improved mouse survival. Our results provide a rationale to reposition the approved drug auranofin for clinical evaluation in the therapy of CLL.

Since the survival of lymphoma patients who experience disease progression or relapse remains very poor, new therapeutic approaches and effective drugs are urgently needed. Here we show that auranofin (AF), an anti-rheumatoid drug thought to inhibit thioredoxin reductases (TXNRDs) as its mechanism of action, exhibited potent activity against multiple cancer types, especially effective against B cell lymphoma. Surprisingly, a knockdown of TXNRD1 and TXNRD2 did not cause significant cytotoxicity, suggesting that abrogation of TXNRD enzyme per se was insufficient to cause cancer cell death. Further mechanistic study showed that the interaction of AF with TXNRD could convert this antioxidant enzyme to a ROS-generating molecule via disrupting its electron transport, leading to a leak of electrons that interact with molecular oxygen to form superoxide. AF also suppressed energy metabolism by inhibiting both mitochondria complex II and the glycolytic enzyme GAPDH, leading to a significant depletion of ATP and inhibition of cancer growth in vitro and in vivo. Importantly, we found that the AF-mediated ROS stress could induce PD-L1 expression, revealing an unwanted effect of AF in causing immune suppression. We further showed that a combination of AF with anti-PD-1 antibody could enhance the anticancer activity in a syngeneic immune-competent mouse B-cell lymphoma model. Our study suggests that AF could be a potential drug for lymphoma treatment, and its combination with immune checkpoint inhibitors would be a logical strategy to increase the therapeutic activity.

Pseudogenes are sequences that have lost the ability to transcribe RNA molecules or encode truncated but possibly functional proteins. While they were once considered to be meaningless remnants of evolution, recent researches have shown that pseudogenes play important roles in various biological processes. However, the studies of pseudogenes in the silkworm, an important model organism, are limited and have focused on single or only a few specific genes.