Exploring novel mechanisms of plasticity, cell-state transitions and drug resistance in breast and colorectal cancer models

I tumori sono composti da una miscela eterogenea di cellule la cui relazione reciproca rimane poco chiara. Precedenti studi hanno dimostrato che le cellule tumorali esistono all'interno di una popolazione in diversi stati fenotipici, che sono mantenuti in equilibrio attraverso meccanismi sconosciuti, probabilmente favorendo il cancro. L'esplorazione delle diverse pathways alla base dell'eterogeneità del tumore e della plasticità che ne deriva potrebbe aprire nuove strade per indirizzare la crescita del tumore e la resistenza ai farmaci in modo più efficace. Per ottenere informazioni sui percorsi molecolari alla base della transizione di stato cellulare, abbiamo impiegato linee cellulari di carcinoma mammario triplo negativo SUM149 e SUM159, caratterizzate dalla coesistenza di stati cellulari luminali e basali, come modelli di studio. Abbiamo isolato ogni sottopopolazione e dimostrato che questi diversi stati fenotipici vengono ripristinati entro un'ora dall'isolamento. Questa transizione è promossa sia dalla regolazione trascrizionale, sia dalla concomitante rilocalizzazione proteica di marcatori specifici dello stato cellulare. L'analisi di RNAseq ha rivelato l'attivazione di una signature di espressione genica che guida il trasporto delle proteine. In particolare, nelle cellule basali, il trasporto delle vescicole e la localizzazione delle proteine alla periferia cellulare sono deregolati, suggerendo che il trasporto delle proteine o la sua regolazione possono esercitare un ruolo nella velocità di transizione. Per identificare i fattori secreti che regolano la l'equilibrio di linee cellulari fenotipicamente eterogenee, sono stati eseguiti saggi con terreni condizionati in stati cellulari isolati. Investigando l'esistenza di meccanismi estrinseci che governano le proporzioni di stato cellulare in un ambiente cellulare eterogeneo, abbiamo ulteriormente riflettuto sull'esistenza di un meccanismo di protezione dai farmaci che sussiste tra cellule resistenti e sensibili alla terapia. Per affrontare questo problematica, abbiamo sfruttato un modello resistente ai farmaci di cancro del colon-retto e condotto esperimenti di co-coltura e terreno condizionato, ma non abbiamo scoperto alcun beneficio di crescita quando le cellule sensibili sono state esposte a terreni condizionati ottenuti da cellule resistenti, o in co-cultura con cellule resistenti stesse. In conclusione, il nostro lavoro ha ampliato la comprensione della dinamica della transizione dello stato cellulare nelle linee cellulari, dimostrando che questi modelli sono effettivamente altamente plastici e che sono un modello adatto per studiare la plasticità tumorale.

Tumors are composed of heterogeneous mixture of cells whose mutual relationships remain unclear. Previous studies demonstrated that tumor cells exist within a population in different phenotypic states, which are kept in equilibrium through unknown mechanisms, possibly favoring cancer fitness. Exploring the different networks underlying tumor heterogeneity and the derived plasticity could usher novel avenues to target tumor growth and resistance to drugs more effectively. To gain insight into the molecular pathways underlying cell-state transition, we employed SUM149 and SUM159 triple-negative breast cancer cell lines, characterized by the reported co-existence of luminal and basal cell states, as models. We sorted each subpopulation and proved that these different phenotypic states are reinstated within one hour after isolation. This shift is promoted both by transcriptional regulation, and intriguingly by the concomitant protein relocalization of cell-state-specific markers. RNAseq analysis revealed the activation of a gene expression signature driving protein transport. In particular, in basal cells, vesicle transport and protein localization to cell periphery is deregulated, suggesting that protein transport or its regulation may exert a role in the transition velocity. To identify secreted factors that potentially regulate the equilibrium proportion of phenotypically heterogeneous cell lines, conditioned medium assays were performed in isolated cell-states. As we questioned the existence of extrinsic, cooperative mechanisms that govern cellstate proportions in an heterogenous cell environment, we further pondered the possibility of a drug-protective, cooperative mechanism that operates along the resistant-to-sensitive cell axis. To address this issue, we developed a colorectal cancer model and conducted conditioned medium and co-culture experiments, but we discovered no growth benefit when sensitive cells were exposed to enriched conditioned media obtained from resistant cells or resistant cells themselves. In conclusion, our work expanded the understanding of the dynamics of cell-state transition in cell lines, demonstrating that these models are indeed highly plastic and indicating that they are a suitable model for investigating tumor plasticity.