Abstract The development of a tumor vasculature or access to the host vasculature is a crucial step for the survival and metastasis of malignant tumors. Although therapeutic strategies attempting to inhibit this step during tumor development are being developed, the biological regulation of this process is still largely unknown. Using a transgenic mouse susceptible to mammary cancer, PyMT mice, we have characterized the development of the vasculature in mammary tumors during their progression to malignancy. We show that the onset of the angiogenic switch, identified as the formation of a high-density vessel network, is closely associated with the transition to malignancy. More importantly, both the angiogenic switch and the progression to malignancy are regulated by infiltrated macrophages in the primary mammary tumors. Inhibition of the macrophage infiltration into the tumor delayed the angiogenic switch and malignant transition whereas genetic restoration of the macrophage population specifically in these tumors rescued the vessel phenotype. Furthermore, premature induction of macrophage infiltration into premalignant lesions promoted an early onset of the angiogenic switch independent of tumor progression. Taken together, this study shows that tumor-associated macrophages play a key role in promoting tumor angiogenesis, an essential step in the tumor progression to malignancy. (Cancer Res 2006; 66(23): 11238-46)

The role of cytokines in regulation of hematopoietic stem cells (HSCs) remains poorly understood. Herein we demonstrate that thrombopoietin (THPO) and its receptor, MPL, are critically involved in postnatal steady-state HSC maintenance, reflected in a 150-fold reduction of HSCs in adult Thpo−/− mice. Further, whereas THPO and MPL proved not required for fetal HSC expansion, HSC expansion posttransplantation was highly MPL and THPO dependent. The distinct role of THPO in postnatal HSC maintenance is accompanied by accelerated HSC cell-cycle kinetics in Thpo−/− mice and reduced expression of the cyclin-dependent kinase inhibitors p57Kip2 and p19INK4D as well as multiple Hox transcription factors. Although also predicted to be an HSC viability factor, BCL2 failed to rescue the HSC deficiency of Thpo−/− mice. Thus, THPO regulates posttransplantation HSC expansion as well as the maintenance of adult quiescent HSCs, of critical importance to avoid postnatal HSC exhaustion.

Applying a new, more sensitive single-cell transcriptomics method to diagnosis, remission and progression samples from patients with chronic myeloid leukemia reveals insight into the heterogeneity of cells that resist treatment with targeted therapy, as well as into the dynamics of disease progression and its effects on nontransformed hematopoietic stem cells. Recent advances in single-cell transcriptomics are ideally placed to unravel intratumoral heterogeneity and selective resistance of cancer stem cell (SC) subpopulations to molecularly targeted cancer therapies. However, current single-cell RNA-sequencing approaches lack the sensitivity required to reliably detect somatic mutations. We developed a method that combines high-sensitivity mutation detection with whole-transcriptome analysis of the same single cell. We applied this technique to analyze more than 2,000 SCs from patients with chronic myeloid leukemia (CML) throughout the disease course, revealing heterogeneity of CML-SCs, including the identification of a subgroup of CML-SCs with a distinct molecular signature that selectively persisted during prolonged therapy. Analysis of nonleukemic SCs from patients with CML also provided new insights into cell-extrinsic disruption of hematopoiesis in CML associated with clinical outcome. Furthermore, we used this single-cell approach to identify a blast-crisis-specific SC population, which was also present in a subclone of CML-SCs during the chronic phase in a patient who subsequently developed blast crisis. This approach, which might be broadly applied to any malignancy, illustrates how single-cell analysis can identify subpopulations of therapy-resistant SCs that are not apparent through cell-population analysis.

Summary

 Recent studies implicated the existence of adult lymphoid-primed multipotent progenitors (LMPPs) with little or no megakaryocyte-erythroid potential, questioning common myeloid and lymphoid progenitors as obligate intermediates in hematopoietic stem cell (HSC) lineage commitment. However, the existence of LMPPs remains contentious. Herein, global and single-cell analyses revealed a hierarchical organization of transcriptional lineage programs, with downregulation of megakaryocyte-erythroid genes from HSCs to LMPPs, sustained granulocyte-monocyte priming, and upregulation of common lymphoid (but not B and T cell-specific) genes. These biological and molecular relationships, implicating almost mutual exclusion of megakaryocyte-erythroid and lymphoid pathways, are established already in fetal hematopoiesis, as evidenced by existence of LMPPs in fetal liver. The identification of LMPPs and hierarchically ordered transcriptional activation and downregulation of distinct lineage programs is compatible with a model for HSC lineage commitment in which the probability for undergoing different lineage commitment fates changes gradually when progressing from HSCs to LMPPs.

Lung cancer progression relies on angiogenesis, which is a response to hypoxia typically coordinated by hypoxia-inducible transcription factors (HIFs), but growing evidence indicates that transcriptional programs beyond HIFs control tumor angiogenesis. Here, we show that the redox-sensitive transcription factor BTB and CNC homology 1 (BACH1) controls the transcription of a broad range of angiogenesis genes. BACH1 is stabilized by lowering ROS levels; consequently, angiogenesis gene expression in lung cancer cells, tumor organoids, and xenograft tumors increased substantially following administration of vitamins C and E and N-acetylcysteine in a BACH1-dependent fashion under normoxia. Moreover, angiogenesis gene expression increased in endogenous BACH1-overexpressing cells and decreased in BACH1-knockout cells in the absence of antioxidants. BACH1 levels also increased upon hypoxia and following administration of prolyl hydroxylase inhibitors in both HIF1A-knockout and WT cells. BACH1 was found to be a transcriptional target of HIF1α, but BACH1's ability to stimulate angiogenesis gene expression was HIF1α independent. Antioxidants increased tumor vascularity in vivo in a BACH1-dependent fashion, and overexpressing BACH1 rendered tumors sensitive to antiangiogenesis therapy. BACH1 expression in tumor sections from patients with lung cancer correlated with angiogenesis gene and protein expression. We conclude that BACH1 is an oxygen- and redox-sensitive angiogenesis transcription factor.

Abstract Fas (CD95/APO-1) is a transmembrane death receptor that transduces apoptotic signals upon binding to its ligand and assembling into a death-inducing signaling complex (DISC) ( 1, 2 ). Intracellular trafficking of Fas receptors, including recycling from endosomes to the plasma membrane, plays a vital role in ligand-induced assembly of DISC ( 3, 4 ). Although Fas is highly expressed in tumor cells ( 5, 6 ), insufficient expression of these receptors on the cell surface makes cancer cells insensitive to the Fas-induced apoptosis ( 4, 7 – 9 ). Here we show that inhibition of endocytosis increases the formation of Fas microaggregates on the plasma membrane and sensitizes cancer cells to Fas-induced apoptosis. We have identified a clinically used vasodilator, Fasudil, that slows down endocytosis by increasing plasma membrane tension. Fasudil enhanced apoptosis in cancerous cells when combined with exogenous soluble Fas ligand (FasL), whereas the synergistic effect was substantially weaker in nonmalignant cells. Additionally, the FasL and Fasudil combination prevented glioblastoma cell growth in embryonic stem cell-derived brain organoids and induced tumor regression in a xenograft U87 tumor model in nude mice. Our results demonstrate that FasL treatment has strong potential as an apoptosis-directed cancer therapy when the formation of Fas microaggregates is augmented by slowing down endocytosis dynamics.

Abstract The transmembrane death receptor Fas transduces apoptotic signals upon binding its ligand, FasL. Although Fas is highly expressed in cancer cells, insufficient cell surface Fas expression desensitizes cancer cells to Fas-induced apoptosis. Here, we show that the increase in Fas microaggregate formation on the plasma membrane in response to the inhibition of endocytosis sensitizes cancer cells to Fas-induced apoptosis. We used a clinically accessible Rho-kinase inhibitor, fasudil, that reduces endocytosis dynamics by increasing plasma membrane tension. In combination with exogenous soluble FasL (sFasL), fasudil promoted cancer cell apoptosis, but this collaborative effect was substantially weaker in nonmalignant cells. The combination of sFasL and fasudil prevented glioblastoma cell growth in embryonic stem cell-derived brain organoids and induced tumor regression in a xenograft mouse model. Our results demonstrate that sFasL has strong potential for apoptosis-directed cancer therapy when Fas microaggregate formation is augmented by mechano-inhibition of endocytosis.

ABSTRACT The development of B cells relies on an intricate network of transcription factors critical for developmental progression and lineage commitment. In the B cell developmental trajectory, a temporal switch from predominant Foxo3 to Foxo1 expression occurs at the CLP stage. Utilizing VAV-iCre mediated conditional deletion, we found that the loss of FOXO3 impaired B cell development from LMPP down to B cell precursors, while the loss of FOXO1 impaired B cell commitment and resulted in a complete developmental block at the CD25 negative proB cell stage. Strikingly, the combined loss of FOXO1 and FOXO3 resulted in the failure to restrict the myeloid potential of CLPs and the complete loss of the B cell lineage. This is underpinned by the failure to enforce the early B-lineage gene regulatory circuitry upon a predominantly pre-established open chromatin landscape. Altogether, this demonstrates that FOXO3 and FOXO1 cooperatively govern early lineage restriction and initiation of B-lineage commitment in CLPs. SUMMARY Common lymphoid progenitors co-express the transcription factors FOXO1 and FOXO3. Removing FOXO1 and FOXO3 at this developmental stage results in regained myeloid potential, failed establishment of the early B cell gene regulatory program, and the complete loss of the B cell lineage.