CANCER STEM CELLS   

Department of  1Cellular and Molecular  Medicine,  Lerner  Research  Institute,  Cleveland  Clinic,  Cleveland,  OH  44915,  2 USA;  Molecular  Medicine,  Cleveland  Clinic  Lerner  College  of  Medicine  of  Case  Western  Reserve  University,  Cleveland,  OH  44195,  USA;  3Stem  Cell  Biology  and  Regenerative  Medicine,  Lerner  Research  Institute,  Cleveland   4 Clinic,  OH  44195,  USA; Case  Compre‐ hensive  Cancer  Center,  Cleveland,  OH  44106, USA;  5Department of Pathology  and  Case  Comprehensive  Cancer  Cen‐ ter,  Case  Western  Reserve  University,  Cleveland, OH, 44106, United States    Contact:  Dr.  Ofer  Reizes,  Department  of  Cellular  and  Molecular  Medicine,  Lerner  Research  Institute,  9500  Euclid  Ave., NC10 , Cleveland, OH 44195, USA,  [email protected],  Phone  ‐  216.445.0880,  Fax  ‐  216.444.8359;  Dr.  Justin D. Lathia, Department of Cellular  and  Molecular  Medicine,  Lerner  Re‐ search  Institute,  9500  Euclid  Ave.,  NC10  ,  Cleveland,  OH  44195,  USA,  la‐ [email protected],  Phone  ‐  216.445.7475,  Fax  ‐  216.444.8359;  *These  senior  authors contributed equally    Received  August  07,  2014;  accepted  for  publication  February  28,  2015;  available  online  without  subscription  through the open access option.    ©AlphaMed Press   1066‐5099/2015/$30.00/0    This article has been accepted for pub‐ lication and undergone full peer review  but has not been through the copyedit‐ ing,  typesetting,  pagination  and  proof‐ reading  process  which  may  lead  to  differences  between  this  version  and  the  Version  of  Record.  Please  cite  this  article as doi: 10.1002/stem.2021 

Development of a Fluorescent Reporter Sys‐ tem to Delineate Cancer Stem Cells in Triple‐ Negative Breast Cancer    Praveena S. Thiagarajan1, Masahiro Hitomi1,2, James S. Hale1,  Alvaro G. Alvarado1,2, Balint Otvos1, Maksim Sinyuk1,  Kevin Stoltz1, Andrew Wiechert1, Erin Mulkearns‐ Hubert1, Awad Jarrar1, Qiao Zheng1, Dustin Thomas1,2,  Thomas Egelhoff1,2,4, Jeremy N. Rich2,3,4, Huiping Liu4,5,  Justin D. Lathia1,2,4*, and Ofer Reizes1,2,4*    Key words. Cancer stem cell  triple‐negative breast cancer  NANOG  JAM‐ A  fluorescent reporter system    ABSTRACT    Advanced  cancers  display  cellular  heterogeneity  driven  by  self‐renewing,  tumorigenic cancer stem cells (CSCs). The use of cell lines to model CSCs is  challenging due to the difficulty of identifying and isolating cell populations  that possess differences in self‐renewal and tumor initiation. To overcome  these barriers in triple‐negative breast cancer (TNBC), we developed a CSC  system  utilizing  a  green  fluorescence  protein  (GFP)  reporter  for  the  pro‐ moter  of  the  well‐established  pluripotency  gene  NANOG.  NANOG‐GFP+  cells  gave  rise  to  both  GFP+  and  GFP‐  cells,  and  GFP+  cells  possessed  in‐ creased  levels  of  the  embryonic  stem  cell  transcription  factors  NANOG,  SOX2 and OCT4 and elevated self‐renewal and tumor initiation capacities.  GFP+  cells  also  expressed  mesenchymal  markers  and  demonstrated  in‐ creased  invasion.  Compared  with  the  well‐established  CSC  markers  CD24‐ /CD44+,  CD49f and  aldehyde  dehydrogenase  (ALDH)  activity,  our  NANOG‐ GFP reporter system demonstrated increased enrichment for CSCs. To ex‐ plore  the  utility  of  this  system  as  a  screening  platform,  we  performed  a  flow cytometry screen that confirmed increased CSC marker expression in  the  GFP+  population  and  identified  new  cell  surface  markers  elevated  in  TNBC CSCs, including junctional adhesion molecule‐A (JAM‐A). JAM‐A was  highly  expressed  in  GFP+  cells  and  patient‐derived  xenograft  ALDH+  CSCs  compared with the GFP‐ and ALDH‐ cells, respectively. Depletion of JAM‐A  compromised  self‐renewal,  whereas  JAM‐A  overexpression  rescued  self‐ renewal  in  GFP‐  cells.  Our  data  indicate  that  we  have  defined  and  devel‐ oped a robust system to monitor differences between CSCs and non‐CSCs  in  TNBC  that  can  be used  to  identify  CSC‐specific  targets  for  the  develop‐ ment of future therapeutic strategies. STEM CELLS 2014; 00:000–000 

                  STEM CELLS 2014;00:00‐00 www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

2

CSC reporter system in triple-negative breast cancer

 

INTRODUCTION    Breast  cancer  is  the  leading  cause  of  cancer‐related  deaths  among  women  worldwide  [1].  Despite  signifi‐ cant  advances  in  the  development  of  hormonal  and  systemic chemotherapy, response rates remain 30‐60%,  and  even  responsive  cancers  relapse  and  develop  re‐ sistance [2]. The survival rates of metastatic breast can‐ cer  are  lower  than  5%  [3].  The  molecular  genetics  of  breast  cancer  have  been  extensively  investigated,  per‐ mitting the association between distinct molecular sub‐ types and patient outcome. Of the different breast can‐ cer subtypes, triple‐negative breast cancer (TNBC) is the  most  aggressive  [4,  5].  TNBC  lacks  expression  of  the  estrogen  and  progesterone  receptors  and  does  not  overexpress ERBB2 [6]. TNBC constitutes 15%‐20% of all  breast  cancers  and  is  characterized  by  poor  prognosis  and the lack of effective specific therapeutic options [7].  TNBC patients show higher rates of early relapse due to  refractory  drug‐resistant  local  and/or  metastatic  dis‐ ease even after an initial effective response to cytotoxic  conventional  chemotherapy,  which  remains  the  main‐ stay of TNBC treatment [8].  The hypothesis that a population of self‐renewing can‐ cer  stem  cells  (CSCs)  drives  tumor  recurrence  and  me‐ tastasis  and  underlies  TNBC  heterogeneity  is  well  sup‐ ported [9‐11]. CSCs are characterized by their ability to  propagate  tumors  and  recapitulate  the  heterogeneity  present  in  the  original  lesion  [12,  13].  TNBCs  are  re‐ sistant to chemotherapy, and recurrence has been pos‐ tulated  to  be  a  result  of  the  chemo‐  and  radio‐ resistance exhibited by CSCs [14, 15]. Due to confound‐ ing factors such as cellular heterogeneity and an evolv‐ ing epigenetic state of CSCs, the mechanisms underlying  their  self‐renewal  and  role  in  tumor  progression  are  being actively pursued [16]. While CSCs have been pos‐ tulated  to  be  crucial  for  TNBC  maintenance  and  pro‐ gression,  studying  the  characteristics  of  TNBC  CSCs  re‐ mains a challenge. A major obstacle to the identification  of CSC regulatory mechanisms is a lack of experimental  systems  that  enable  the  reliable  enrichment  of  CSCs  from  non‐CSCs  for  comparative  analysis  [17].  Many  groups  have  isolated  TNBC  CSCs  using  CD24‐ negative/CD44‐positive  (CD24‐/CD44+)  cells  and/or  through high aldehyde dehydrogenase I activity (ALDH+)  [18,  19].  These  enrichment  paradigms  require  refine‐ ment, as they are not universally applicable to all breast  tumors  [20‐22].  Additionally,  many  CSC  studies  have  been performed primarily in vitro, and as a result, there  is  limited  information  regarding  the  contribution  of  CSCs to tumor phenotypes in vivo. The main models of  in  vitro  studies  have  used  high  passage  TNBC  cell  lines  that  have  not  been  well‐characterized  for  CSC  studies.  Further  complicating  the  study  of  CSCs  in  TNBC  is  the  lack  of  a  well‐defined  system  to  analyze  these  cells  in  real time.  To  interrogate  the  molecular  heterogeneity  of  TNBC  cells, we developed a novel CSC reporter system using a  www.StemCells.com

GFP reporter driven by the promoter of the embryonic  stem cell transcription factor NANOG. NANOG is a stem  cell transcription factor and a master regulator of stem  cell self‐renewal [23, 24]. NANOG has emerged as a pro‐ carcinogenic factor [25], and immunostaining data show  a strong correlation between NANOG and other cancer  stem  cell  markers  [25‐28].  NANOG  silencing  in  cancer  cells  leads  to  reduced  proliferation,  self‐renewal  based  on  tumorsphere  assays,  and  tumor  initiation  in  xeno‐ graft  transplant  studies  [23,  29].  We  generated  two  TNBC  cell  lines  (MDA‐MB‐231  and  HCC70)  in  which  GFP+  and  GFP‐  cells  show  differences  in  CSC  marker  expression and function [30, 31]. The cell surface signa‐ ture of both GFP+ and GFP‐ cells was evaluated using a  high‐throughput  screening  method  validated  by  our  group, and we found that NANOG promoter‐driven GFP  also  enriches  for  TNBC  cells  positive  for  CSC  surface  markers.  The  screen  revealed  additional  receptors  en‐ riched  in  CSCs.  Our  approach  has  the  ability  to  enrich  for a population of CSCs, enabling interrogations to un‐ derstand  the  key  roles  of  CSCs  in  TNBC  initiation  and  progression.   

MATERIALS AND METHODS    Cell culture  MDA‐MB‐231 and HCC70 breast cancer cells (American  Type Culture Collection; Manassas, VA) were cultured in  log‐growth  phase  in  modified  Eagle’s  medium  (MEM)  supplemented  with  1  mM  sodium  pyruvate  (Cellgro,  Kansas  City,  MO)  and  10%  heat‐inactivated  fetal  calf  serum  (FCS)  at  37  °C  in  a  humidified  atmosphere  (5%  CO2).   

Triple‐negative breast cancer patient‐derived  xenograft tumors  Triple‐negative  patient‐derived  xenograft  (PDX)‐TN1  cells  were  procured  and  transduced  with  dTomato  as  previously described [32].   

Immunoblotting  Cells  were  lysed  in  20  mM  Tris‐HCl  (pH  7.5),  150  mM  NaCl, 1 mM Na2EDTA, 1 mM EGTA, 1% NP‐40, 1% sodi‐ um  pyrophosphate,  1  mM  ‐glycerophosphate,  1  mM  sodium orthovanadate, 1 ug/mL leupeptin, 20 mM NaF  and  1  mM  PMSF.  Protein  concentrations  were  meas‐ ured  using  Bradford  reagent  (BIO‐RAD,  Hercules,  CA).  Lysates (20 g total protein) were resolved by 10% SDS‐ PAGE  and  electrotransferred  to  PVDF  membrane.  Membranes  were  incubated  overnight  at  4 °C  with  pri‐ mary  antibodies  against  NANOG  (Cell  Signaling),  GFP  (Zymed),  SOX2  (Cell  Signaling),  OCT4  (Cell  Signaling),  VIMENTIN  (Cell  Signaling),  N‐CADHERIN  (Millipore),  GAPDH or ‐ACTIN (Santa Cruz, CA), followed by incuba‐ tion with secondary anti‐mouse or anti‐rabbit IgG anti‐ bodies  conjugated  to  horseradish  peroxidase  (HRP) 

©AlphaMed Press 2014 

3 (Thermo,  Rockford,  IL).  Immunoreactive  bands  were  visualized using ECL plus from Pierce (Rockford, IL, USA).   

Quantitative real‐time PCR (qPCR)  qPCR was performed using an ABI 7900HT system with  SYBR‐Green  MasterMix  (SA  Biosciences).  Briefly,  RNA  from  cells  transduced  with  non‐targeting  control  or  JAM‐A  shRNA  was  extracted  using  the  RNeasy  kit  (Qi‐ agen), and cDNA was synthesized using the Superscript  III  kit  (Invitrogen,  Grand  Island,  NY).  For  qPCR  analysis,  the threshold cycle (CT) values for each gene were nor‐ malized  to  expression  levels  of  ‐ACTIN.  Dissociation  curves  were  evaluated  for  primer  fidelity.  The  primers  used were:  ‐Actin Forward 5’‐AGAAAATCTGGCACCACACC‐3’  Reverse 5’‐AGAGGCGTACAGGGATAGCA‐3’  NANOG Forward 5’‐CCCAAAGGCAAACAACCCACTTCT‐3’  Reverse 5’‐AGCTGGGTGGAAGAGAACACAGTT‐3’   

Flow cytometry analysis  For  flow  cytometry  analysis,  MDA‐MB‐231  and  HCC70  cells at a concentration of 1 million cells/ mL were sort‐ ed with a BD FACSAria II and subjected to FACS analysis  using  the  following  antibodies:  phycoerythrin  (PE)‐ conjugated  Integrin  α6  (1:100,  BD  Biosciences),  APC‐ conjugated  CD24  (1:100,  BD  Biosciences),  and  PE‐ conjugated  CD44  (1:100,  BD  Biosciences).  Appropriate  isotype control antibodies were used to set gates. Data  analysis was performed using the FlowJo software (Tree  Star,  Inc.).  Flow  analysis  and  sorting  of  PDX  cells  was  performed using APC‐conjugated JAM‐A antibody (1:50,  BD Biosciences).    Collagen invasion assay  The collagen invasion assay was performed as previous‐ ly  described  [33].  MDA‐MB‐231  and  HCC70  GFP+  cells  were  stained  with  Vybrant  DiO  (green),  and  GFP‐  cells  were stained  with  Vybrant  Dil  (red). Stained  cells were  then  combined  and  co‐cultured  with  unstained  macro‐ phages  (BAC  1.2F5)  in  a  glass‐bottom  tissue  culture  dish.  Cells  were  then overlaid  with  a  3 mg/ml  collagen  gel, bathed in complete DMEM (10% serum), and incu‐ bated  overnight.  Cells  were  then  fixed  with  4%  para‐ formaldehyde  and  imaged  using  a  spinning  disk  confo‐ cal microscope. A 100 m Z‐stack image series was gen‐ erated.  Invasion  was  quantified  as  a  percentage  of  green or red fluorescence above a 20 m threshold dis‐ tance from the top surface of the glass bottom dish.   

Limiting dilution assays  For  tumorsphere  formation  assays,  cells  were  cultured  in duplicate rows of serial dilutions per well in a 96‐well  plate  per  condition  (Sarsted,  Germany)  with  200 μl  se‐ rum‐free  DMEM/F12  medium  supplemented  with  20 ng/ml  basic  fibroblast  growth  factor  (Invitrogen),  10 ng/ml  epidermal  growth  factor  (BioSource,  Grand  Island,  NY,  USA),  2%  B27  (Invitrogen),  10 μg/ml  insulin,  and 1 μg/ml hydrochloride (Sigma). Frequency of sphere  www.StemCells.com

CSC reporter system in triple-negative breast cancer formation was calculated in such a way that a well with  a  tumorsphere  was  counted  as  a  positive  well  and  a  well  with  no  tumorspheres  was  counted  as  a  negative  well. Tumorspheres were counted after 2 weeks under  a phase contrast microscope. The stem cell frequencies  were calculated using an extreme limiting dilution algo‐ rithm (ELDA) (http://bioinf.wehi.edu.au/software/elda/)  [34].   

In vivo tumor formation  NOD SCID gamma (NSG) mice were purchased from the  Biological  Resource  Unit  (BRU)  at  the  Cleveland  Clinic.  All  mice  were  maintained  in  microisolator  units  and  provided free access to food and water. All mouse pro‐ cedures were performed under adherence to protocols  approved by the Institute Animal Care and Use Commit‐ tee  at  the  Lerner  Research  Institute,  Cleveland  Clinic.  MDA‐MB‐231  and  HCC70  NANOG‐GFP  cells  were  flow  sorted  for  both  GFP+  and  GFP‐  cells  and  transduced  with  a  luciferase  lentiviral  vector  construct.  GFP+  and  GFP‐  cells  were  then  transplanted  in  serial  dilutions  of  1000, 10,000 and 100,000 MDA‐MB‐231 cells and 1000,  10,000  and  30,000  HCC70  cells  into  the  right  subcuta‐ neous flank of groups of female mice at 6 weeks of age.  Mice were monitored every day until GFP+ tumors were  palpable  on  day  12.  Subsequent  to  this,  biweekly  bio‐ luminescence  imaging  was  performed  on  the  mice  by  IVIS  following  intraperitoneal  luciferin  injection.  Mice  were euthanized, and the tumors were resected to dis‐ sociate  tumor  cells  using  papain.  The  cells  were  then  sorted  for  GFP  expression  to  assess  tumorsphere  for‐ mation as described above.   

Flow cytometry screening  The  BD  Lyoplate  Human Cell Surface  Marker Screening  Panel  was  purchased  from  BD  Biosciences.  The  panel  contains 242 purified monoclonal antibodies to cell sur‐ face  markers  and  both  mouse  and  rat  isotype  controls  for  assessing  background  signals.  For  the  flow  cytome‐ try  screening  procedure,  MDA‐MB‐231  and  HCC70  NANOG‐GFP  cells  were  prepared  in  single‐cell  suspen‐ sions  in  BD  Pharmingen  Stain  Buffer  (BD  Biosciences)  with  the  addition  of  5  mM  EDTA.  The  screening  was  performed  as  previously  described  [30].  A  total  of  80  million cells  of  each  MDA‐MB‐231  and HCC70 NANOG‐ GFP cell line was stained with DRAQ5 (eBioscience, San  Diego,  CA)  and  pacific  blue  dyes  (Life  Technologies  Grand  Island,  NY),  respectively.  The  cells  were  then  pooled  and  plated  in  96‐well  round‐bottom  plates  (BD  Biosciences).  Reconstituted  antibodies  were  added  to  the  wells  as  per  the  human  lyoplate  screening  panel.  The  cells  were  washed  with  stain  buffer  and  stained  with  APC‐labeled  goat  anti‐mouse  IgG  secondary  anti‐ body (BD Biosciences). The cells were then stained with  a live/dead fixable blue dead cell stain kit (Life Technol‐ ogies,  Grand  Island,  NY).  Cells  were  washed  and  ana‐ lyzed  on  an  LSRII  HTS  system  (BD  Biosciences).  Data  were analyzed with FlowJo software. Positive immuno‐ reactivity was based on isotype controls.  ©AlphaMed Press 2014 

CSC reporter system in triple-negative breast cancer

4 JAM‐A  lentiviral  short  hairpin  RNA  (shRNA)  and  JAM‐A  transducing lentiviruses were prepared as we previously  reported  [30,  34].  In  short,  using  Lipofectamine  2000  (Invitrogen),  293FT  cells  were  co‐transfected  with  the  packaging vectors psPAX2 and pCI‐VSVG (Addgene) and  lentiviral vectors directing expression of shRNA (Sigma)  specific  to  JAM‐A  (TRCN0000061649  (KD1),  TRCN0000061650  (KD2),  a  non‐targeting  control  (NT)  shRNA  (SHC002))  and  overexpression  vector  (Applied  Biological Materials) for JAM‐A or a control vector. Me‐ dia  of  the  293FT  cell  cultures  were  changed  18  hours  after  transfection,  and  viral  containing  supernatants  were  collected  24  and  48  hours  following  the  media  change.  Collected  media  were  filtered  for  immediate  use or concentrated with polyethylene glycol precipita‐ tion and stored at −80°C for future use.   

Statistical analysis  Values  reported  in  the  results  are  mean  values  +/‐  standard deviation. One‐way ANOVA was used to calcu‐ late statistical significance, and p‐values are detailed in  the text and figure legends.   

RESULTS    CSC reporter system in TNBC  A  barrier  to  comprehensive  CSCs  studies  in  TNBC  cell  lines  is  the  lack  of  the  ability  to  monitor  the  stem  cell  state in real time and investigate cellular heterogeneity  in vitro. To overcome this barrier, we developed report‐ er cell lines to track CSCs by transducing TNBC cells with  a  GFP  reporter  driven  by  the  NANOG  promoter  (Fig.  1A).  Cells  expressing  GFP  represented  cells  with  high  NANOG  promoter  activity.  GFP+  cells  enriched  by  flow  cytometry sorting gave rise to both GFP+ and GFP‐ cells  as detected by flow cytometry analysis (Fig. 1B) and by  fluorescent  microscopy  (Fig.  1C),  demonstrating  the  development  of  cellular  heterogeneity  over  time  in  vitro. The difference in GFP expression was validated by  immunoblotting of GFP+ and GFP‐ cell lysates. The data  indicated  higher  expression  of  GFP  in  the  GFP+  cells  compared with the GFP‐ cells (Fig. 1D). To validate that  GFP  expression  identified  NANOG‐expressing  cells,  NANOG mRNA and protein expression were assessed in  the GFP+ and GFP‐ cells (Fig. 1E, F). A 16‐fold (MDA‐MB‐ 231)  and  a  2.3‐fold  (HCC70)  increase  in  NANOG  mRNA  expression were observed in the GFP+ population com‐ pared with the GFP‐ population as  quantified by  qPCR.  In  accordance  with  mRNA  data,  western  blot  analysis  detected higher levels of NANOG protein expression in  GFP+  cells  than  in  GFP‐  cells.  These  observations  demonstrated  that  our  system  can  be  used  to  detect  cellular heterogeneity with respect to NANOG promoter  activity.       

www.StemCells.com

NANOG promoter reporter enriches for can‐ cer stem cells  The  prospective  identification  and  isolation  of  TNBC  CSCs are based on the expression of cell surface mark‐ ers  including  CD24‐/CD44+  [20].  CD24  is  a  cell  surface  glycoprotein, and CD44 is a cell surface receptor for the  extracellular  matrix  protein  hyaluronan  [12,  13].  GFP+  cells of both TNBC lines were enriched for CD24‐CD44+  cells and compared with the GFP‐ cells (Fig. 2A). To ex‐ amine  whether  the  NANOG  promoter  reporter  could  enrich for other CSC markers, cells were also stained for  the expression of CD49f/Integrin 6. CD49f plays a cru‐ cial  role  in  cell  adhesion  and  has  also  been  widely  shown  to  enrich  for  TNBC  CSCs  [35].  Compared  with  GFP‐  cells,  GFP+  cells  demonstrated  higher  expression  of  CD49f  (Fig.  2A).  The  percentage  of  GFP+  cells  ex‐ pressing CD24‐/CD44+ was 2.1‐fold higher than the per‐ centage of GFP‐ cells in the top 20% of all cells express‐ ing  CD24‐/CD44+  in  MDA‐MB‐231  cells,  whereas  in  HCC70  cells,  the  percentage  of  GFP+  cells  expressing  CD24‐/CD44+  was  3.5‐fold  higher  than  the  percentage  of  GFP‐  cells  (Fig.  2A).  In  both  the  MDA‐MB‐231  and  HCC70  TNBC  cell  lines,  the  protein  levels  of  the  three  embryonic stem cell transcription factors OCT4, NANOG  and  SOX2  were  greatly  increased  in  GFP+  cells  com‐ pared  with  GFP‐  cells  (Fig.  2B).  These  findings  validate  the  hypothesis  that  GFP+  cells  are  enriched  for  CSC  markers.   

GFP+ cells exhibit a mesenchymal phenotype  Vimentin  and  N‐cadherin  are  markers  associated  with  mesenchymal  and  invasive  cellular  behaviors  [36].  We  observed increased expression of these two markers in  GFP+  cells  compared  with  GFP‐  cells  (Fig.  3A).  To  de‐ termine  whether  the  GFP+  cells  possessed  increased  intrinsic  invasiveness,  we  performed  a  collagen‐based  invasion  assay  to  measure  the  distance  GFP+  or  GFP‐  cells  migrated  into the  collagen  matrix  (schematized  in  Fig. 3B). GFP+ cells displayed higher invasive and migra‐ tory potential  compared with the GFP‐  cells at the sin‐ gle‐cell  level  (Fig.  3C).  The  quantified  average  relative  invasion results also showed a significant increase in the  invasion of GFP+ cells compared with the GFP‐ cells (Fig.  3D). These results provide evidence that the GFP+ cells  displayed  an  increased  mesenchymal  phenotype  and  invasive  capacity  compared  with  GFP‐  cells,  which  is  consistent  with  studies  suggesting  increased  mesen‐ chymal and metastatic potential of CSCs [36].   

NANOG‐GFP+ cells exhibit increased self‐ renewal, a hallmark of CSCs  To  determine  whether  GFP+  cells  demonstrated  CSC  characteristics as assessed by an enhanced capacity for  self‐renewal, limiting dilution analyses for tumorsphere  formation  were  performed  with  GFP+  and  GFP‐  cells.  The  sphere‐forming  cell  frequencies  in  GFP+  MDA‐MB‐ 231 and HCC70 cells were calculated to be 1 in 5.46 and  1 in 13.3 cells, respectively, and 1 in 29.31 and 1 in 49.8  ©AlphaMed Press 2014 

5 cells in the GFP‐ cells, respectively (Fig. 4A, B). Spheres  formed  from  GFP+  and  GFP‐  cells  plated  as  single  cells  also  showed  the  development  of  heterogeneity  in  tu‐ morspheres  (Supplemental  Fig.  1).  We  next  compared  our  reporter  enrichment  paradigm  with  established  enrichment protocols. MDA‐MB‐231 and HCC70 paren‐ tal  cells  were  sorted  for  CD24‐/CD44+  and  CD49f  ex‐ pression, and limiting dilution analyses were performed.  As  previously  reported,  CD24‐/CD44+  and  CD49fhi  ex‐ pression enriched for cells with tumorsphere formation  capacity [20, 35]. The sphere‐forming cell frequencies in  CD24‐/CD44+  MDA‐MB‐231  and  HCC70  cells  were  1  in  12.4 and 1 in 15.8 cells, respectively, and 1 in 25.1 and 1  in 32.4 cells, respectively, in the CD24‐/CD44‐ cells (Fig.  4C, D). In CD49fhi cells, the sphere‐forming cell frequen‐ cies of MDA‐MB‐231 and HCC70 cells were 1 in 12.6 and  1  in  16.5  cells,  respectively,  whereas  those  of  the  CD49flo cells were 1 in 24.4 and 1 in 35.7 cells, respec‐ tively  (Fig.  4E,  F).  ALDH+  cells  also  showed  increased  self‐renewal compared with the ALDH‐ cells, as reported  previously  [18,  19].  In  ALDH+  cells,  the  stem  cell  fre‐ quency  was  1  in  7.38  cells,  whereas  the  stem  cell  fre‐ quency  was  1  in  17.1  for  ALDH‐  cells  (Fig.  4G,  H).  Alt‐ hough  these  established  protocols  enriched  for  self‐ renewing cells, the NANOG‐GFP reporter system better  enriched for self‐renewing cells.   

NANOG‐GFP+ cells initiate tumor formation  in vivo  The gold standard assay to functionally validate CSCs is  tumor initiation. We performed in vivo limiting dilution  analysis  of  GFP+  and  GFP‐  cells  across  a  range  of  cell  numbers  for  transplantation  (1,000  –  100,000  cells).  Both  cell  lines  were  transduced  with  a  luciferase  re‐ porter  before  subcutaneous  injection.  A  significant  dif‐ ference was detected between GFP+ and GFP‐ cells with  respect  to  tumor  initiation  frequency  (MDA‐MB‐231  GFP+:  1  in  10,858;  MDA‐MB‐231  GFP‐:  1  in  225,232;  p=1.5 x 10‐4  ; HCC70 GFP+: 1 in 1559; HCC70 GFP‐: 1 in  59747; p=1.35 x 10‐6) and tumor formation latency. Tu‐ mors  were  visible  and  palpable  from  day  12  post‐ subcutaneous  injection  in  the  group  of  mice  injected  with 100,000 MDA‐MB‐231 GFP+ cells. Bioluminescence  imaging  was  performed  on  both  groups  of  mice  (Fig.  5A) until mice reached the end point of pre‐determined  size  (which  was  not  achieved  in  the  GFP‐  tumors  even  by day 40). The images were quantified, and the results  were  plotted  to  compare  the  group  of  mice  injected  with  100,000  GFP+  cells  and  those  injected  with  100,000  GFP‐  cells.  A  significant  increase  in  tumor  growth  was  observed  in  the  group  injected  with  GFP+  cells from day 12 until day 17 (Fig. 5B). To compare the  molecular  characteristics  of  pre‐  and  post‐ transplantation  xenografted  NANOG‐GFP  cells,  limiting  dilution  tumorsphere  formation  analyses  were  per‐ formed  on  cells  derived  from  the  tumors.  Increased  sphere‐forming  cell  frequencies  and  self‐renewal  were  observed  in  GFP+  cells  compared  with  the  GFP‐  cells  isolated from tumors that developed from mice injected  www.StemCells.com

CSC reporter system in triple-negative breast cancer with  either  GFP+  or  GFP‐  cells  (Supplemental  Fig.  2).  Interestingly, the sphere‐forming cell frequencies of the  pre‐ and post‐transplantation cells were similar to those  determined  in  vitro  prior  to  transplantation  (Fig.  4A,  Supplemental Fig. 2). Tumors formed from the injection  of  GFP+  cells  showed  a  high  percentage  of  GFP+  cells  that  ranged  from  83%  ‐ 99%. Of  note,  tumors  initiated  from GFP‐ cells contained GFP+ cells, which may either  be due to a low percentage of GFP+ cells present in the  post‐sorting GFP‐ population or the transition of GFP‐ to  GFP+ cells in vivo. These findings validate that our sys‐ tem  can  reliably  separate  populations  of  cells  with  dif‐ ferences  in  tumor  initiation  capacity  and  confirm  that  GFP+ cells are functional CSCs.   

High‐throughput flow cytometry screen iden‐ tified elevated junctional adhesion molecule‐ A (JAM‐A) in GFP+ cells  To validate the utility of our reported system to identify  CSC‐specific molecular pathways, we performed a high‐ throughput  flow  cytometry  screen.  Previous  screening  methods for CSCs in TNBC have proven challenging due  to  the  inability  to  interrogate  a  pure  CSC  population.  We  previously  used  a  flow  cytometry‐based  approach  that enabled us to identify cell surface receptors in glio‐ blastoma CSCs [30]. This screening procedure also ena‐ bled  us  to  study  intact  cells  and  identify  differentially  expressed  cell  surface  receptors  in  MDA‐MB‐231  and  HCC70  GFP‐  and  GFP+  cells  (Fig.  6A).  Using  a  commer‐ cially  available  panel  of  cell  surface  antibodies,  we  ob‐ served an increase in the expression of well‐established  CSC cell‐surface receptors including CD29 (integrin β1),  CD44, and CD49f (data not shown) in GFP+ cells in both  cell  lines.  GFP+  cells  showed  increased  expression  of  JAM‐A compared with the GFP‐ cells in both MDA‐MB‐ 231 and HCC70 cells (Fig. 6B). Expression of JAM‐A has  been shown to positively correlate with poor prognosis  in patients with invasive breast cancer [37‐39], and we  previously  reported  elevated  JAM‐A  in  glioblastoma  CSCs  [30].  JAM‐A  expression  in  PDX‐TN1  ALDH+  cells  was  observed  to  be  3‐fold  higher  compared  with  the  PDX‐TN1  ALDH‐  cells  by  flow  cytometry  analysis  (Fig.  6C)  and  by  immunoblotting  (Fig.  6D).To  determine  whether  JAM‐A is  involved  in CSC  maintenance,  we  in‐ hibited  JAM‐A  expression  via  shRNA  (Fig.  6E)  and  ob‐ served  a  significant  decrease  in  self‐renewal  (Fig.  6G).  JAM‐A overexpression in GFP‐ cells (Fig. 6F) significantly  increased  the  frequency  of  self‐renewing  cells  com‐ pared with the control vector (Fig. 6H). Taken together,  these data demonstrate that our NANOG promoter re‐ porter  system  can  be  used  for  discovery  approaches  and identifies JAM‐A as critical for self‐renewal in TNBC  CSCs.            ©AlphaMed Press 2014 

CSC reporter system in triple-negative breast cancer

6

DISCUSSION    We have developed a novel TNBC CSC reporter system  using  a  GFP  reporter  driven  by  the  NANOG  promoter.  Although CSCs have been postulated to underlie tumor  initiation,  progression,  invasion  and  recurrence,  the  impediment to studying CSCs has been the need for an  improved definition and functional characterization [40,  41]. To achieve these goals, we transduced the NANOG‐ GFP  reporter  into  two  established  TNBC  cell  lines  and  detected  CSCs  in  TNBC  cells  in  real  time.  Breast  CSCs  have  been  shown  to  express  the  cell  surface  markers  CD24‐/CD44+  and  possess  high  ALDH  activity  in  breast  cancer  tissue,  but  specific  TNBC  CSC  markers  have  not  been  identified  [18‐22].  In  our  model,  CSC  phenotypes  were enriched in sorted GFP+ cells. GFP+ CSCs demon‐ strated increased expression of the embryonic stem cell  transcription  factors  NANOG,  SOX2,  and  OCT4,  provid‐ ing  evidence  that  the  GFP+  cells  are  stem  cells.  Fur‐ thermore,  invasion  assays  demonstrated  that  GFP+  CSCs displayed a mesenchymal phenotype coupled with  increased  invasive  ability.  In  vitro  and  in  vivo  limiting  dilution analyses demonstrated that GFP+ cells possess  increased self‐renewal and tumor initiation capacity.  The ability of GFP+ cells to form tumorspheres demon‐ strated  that  enriching  for  GFP+  cells  more  specifically  isolated self‐renewing TNBC CSCs than the use of other  paradigms,  including  enrichment  by  CD24‐/CD44+,  CD49fhi, and ALDH+. We also show that our model based  on  the  promoter  activity  of  the  embryonic  stem  cell  transcription  factor  NANOG  has  the  conceptual  ad‐ vantage of being able to define and functionally charac‐ terize  CSCs  in  a  more  rigorous  manner  compared  with  the  other  established  paradigms  [42‐44].  The  reporter  system that we have developed tracks NANOG promot‐ er activity. Other reporter systems are based on tandem  repeats  of  a  composite  response  element  or  track  a  pseudogene,  the  expression  pattern  and  functions  of  which  are  yet  to  be  fully  recognized  [42,  43,  45]. While the tracking technique is  similar  among  the  reporter systems, our system is unique due to the nov‐ elty of a robust validation and characterization of CSCs  in TNBC. Other promoter‐reporter construct‐based sys‐ tems  that  have  been  used  to  study  CSCs  lack  such  ex‐ tensive  validation  and  application,  further  adding  im‐ pact to our reporter system. We demonstrate that our  reporter  system  in  TNBC  delineates  pluripotency,  self‐ renewal,  CSC  marker  expression,  invasiveness  and in  vivo tumor  initiation  by  endogenous  NANOG  in  two  well‐established  TNBC  cell  lines.  Importantly,  our  re‐ porter  system  is  more  effective  at  enriching  for  self‐ renewing  cells  than  conventional  marker‐based  ap‐ proaches and is amenable to screening in order to iden‐ tify additional pathways important for CSC maintenance  [42,  43,  45]. Additionally,  our  approach  has  identified  junctional adhesion molecule‐A (JAM‐A) as a novel CSC  regulator  in  TNBC  which  has  also  been  validated  in  a  triple‐negative  breast  cancer  patient‐derived  xenograft  model. The  CSC  reporter  model  system  that  we  devel‐ www.StemCells.com

oped  is  able  to  detect  whether  cancer  cells  maintain  cellular heterogeneity, which remains a substantial chal‐ lenge  in  the  treatment  of  many  advanced  cancers  in‐ cluding  breast  cancer.  From  a  functional  perspective,  transplantation of GFP+ cells into immunodeficient mice  recapitulated  tumor  heterogeneity.  Dissociated  tumors  contained  a  heterogeneous  population  of  GFP+  and  GFP‐  cells  that  retained  self‐renewal  abilities  similar  to  those of the populations prior to transplantation.  Identification of novel cell surface markers enables pre‐ cise  detection  and  characterization  of  TNBC  CSCs  in  primary and metastatic breast cancer tissue samples. To  identify  novel  cell  surface  markers  of  TNBC  CSCs,  we  utilized  our  NANOG  promoter  reporter  system  to  per‐ form  a  high‐throughput  flow  cytometry  screen  that  identified a novel CSC marker, JAM‐A, for TNBC. JAM‐A  is  a  cell‐cell  adhesion  protein  that  has  been  shown  to  influence  the  migration  and  morphology  of  epithelial  cells  [46‐48].  Increased  JAM‐A  expression  in  GFP+  and  PDX‐TN1  ALDH+  cells  indicates  that  this  surface  mole‐ cule is enriched in TNBC CSC populations. Furthermore,  JAM‐A  silencing  and  overexpression  studies  in  TNBC  cells  demonstrated  that  JAM‐A  is  necessary  and  suffi‐ cient  for  CSC  self‐renewal.  A  strong  correlation  has  been observed between high JAM‐A protein expression  and poor clinical outcome with reduced patient survival  in invasive breast cancer [27, 37, 39, 49]. Furthermore,  the existing literature provides evidence supporting the  role of JAM‐A in invasive breast cancer [37, 39, 48]. Our  study establishes that JAM‐A expression can be used to  define  and  functionally  characterize  TNBC  CSCs.  JAM‐A  may provide clinical utility as an independent prognos‐ tic  marker  predicting  the  outcome  of  TNBC  patients.  Our  study  demonstrates  that  the  NANOG  promoter  reporter system can be used to identify CSC biomarkers  and  a  TNBC  gene  signature  for  prognostic  outcomes.  Our reporter system may prove useful for the design of  new  screening  strategies  to  identify  and  develop  CSC‐ specific  therapeutics  for  therapy‐refractory  TNBC  and  other  aggressive  cancers.  The  targeting  of  CSCs  will  thereby improve patient survival outcome, especially in  aggressive malignancies such as TNBC that lack effective  therapies.    CONCLUSIONS    We have developed a reporter system based on NANOG  promoter activity that enriches for functionally compe‐ tent  CSCs. The reporter  system  can  segregate  CSCs with higher  fidelity compared  with conventional  methods  and  can  be  adapted  for  screening  approach‐ es to identify CSC‐specific therapeutic targets and prog‐ nostic  gene  signatures. These studies  highlight  the  het‐ erogeneity present within TNBC lines and provide a sys‐ tem for subsequent CSC studies.          ©AlphaMed Press 2014 

CSC reporter system in triple-negative breast cancer

7

ACKNOWLEDGMENTS    We thank the members of the Lathia and Reizes labora‐ tories  for  constructive  comments  on  the  manuscript.  We  thank  B.  Cotleur,  C.  Shemo,  P.  Barrett  and  S.  O’Bryant for flow cytometry assistance. This publication  was made possible by the Clinical and Translational Sci‐ ence  Collaborative  of  Cleveland,  UL1TR000439,  from  the National Center for Advancing Translational Scienc‐ es  (NCATS)  component  of  the  National  Institutes  of  Health and NIH roadmap for Medical Research. Its con‐ tents are solely the responsibility of the authors and do  not  necessarily  represent  the  official  views  of  the  NIH.  This work was also supported by a National Institutes of  Health  grant  (R21  CA191263)  and  a  Cleveland  Clinic  Research  Program  Committee  grant  to  JDL  and  OR.  Work  in  the  Reizes  lab  is  also  supported  by  Cleveland  Clinic  Foundation,  Case  Comprehensive  Cancer  Center  Pilot  grant  and  Special  Funds  in  Aging  Cancer  Energy  Balance Research (P30 CA043703), the American Cancer  Society (grant number IRG‐91‐022‐15), and the Sam and  Salma  Gibara  Fund.  Work  in  the  Lathia  lab  is  also  sup‐ ported  by  the  Lerner  Research  Institute,  Case  Compre‐ hensive  Cancer  Center,  Sontag  Foundation,  Voices     

REFERENCES    1 AmericanCancerSociety. Breast Cancer Facts  &  Figures.  American  Cancer  Society.  2011‐2012.  2  Gonzalez‐Angulo  AM,  Morales‐Vasquez  F,  Hortobagyi GN. Overview of resistance to  systemic  therapy  in  patients  with  breast  cancer.  Adv  Exp  Med  Biol.  2007;608:1‐ 22.  3 Gluck S, Arteaga CL, Osborne CK. Optimizing  chemotherapy‐free  survival  for  the  ER/HER2‐positive  metastatic  breast  cancer  patient.  Clin  Cancer  Res.  2011;17:5559‐5561.  4 Dent R, Trudeau M, Pritchard KI et al. Triple‐ negative  breast  cancer:  clinical  features  and  patterns  of  recurrence.  Clin  Cancer  Res. 2007;13:4429‐4434.  5  Rakha  EA,  El‐Sayed  ME,  Green  AR  et  al.  Prognostic  markers  in  triple‐negative  breast cancer. Cancer. 2007;109:25‐32.  6  Foulkes  WD,  Smith  IE,  Reis‐Filho  JS.  Triple‐ negative  breast  cancer.  N  Engl  J  Med.  2010;363:1938‐1948.  7  Metzger‐Filho  O,  Tutt  A,  de  Azambuja  E  et  al. Dissecting the heterogeneity of triple‐ negative  breast  cancer.  J  Clin  Oncol.  2012;30:1879‐1887.  8 Andre F, Zielinski CC. Optimal strategies for  the  treatment  of  metastatic  triple‐ negative  breast  cancer  with  currently  approved  agents.  Ann  Oncol.  2012;23  Suppl 6:vi46‐51.  9  de  Beca  FF,  Caetano  P,  Gerhard  R  et  al.  Cancer  stem  cells  markers  CD44,  CD24  and  ALDH1  in  breast  cancer  special  histological  types.  J  Clin  Pathol.  2013;66:187‐191. 

www.StemCells.com

Against  Brain  Cancer,  Blast  GBM,  the  Ohio  Cancer  Re‐ search  Associates,  NIH  K99/R00  Pathway  to  Independ‐ ence Award (CA157948) and R01 (NS083629), V Scholar  Award from the V Foundation for Cancer Research, and  Grant IRG‐91‐022‐18 to the Case Comprehensive Cancer  Center from the American Cancer Society. Work in the  Egelhoff lab was supported by NIH grant GM50009. DGT  was supported by NIH training grant R25CA148052.    CONFLICT OF INTEREST    None to declare   

AUTHOR CONTRIBUTIONS    Conception and design (P.S.T., M.H., J.D.L., O.R.); Finan‐ cial  support  (JDL,  OR),  Administrative  support  (J.D.L,  O.R.); Provision of study material (HL), Collection and/or  assembly of data (P.S.T., M.H., J.S.H., A.G.A., B.O., K.S.,  M.S.,  A.W.,  E.M.H.,  A.J.,  Q.Z.,  D.T.);  Data  analysis  and  interpretation  (P.S.T.,  M.H.,  T.E.,  J.N.R.,  J.D.L.,  O.R.);  Manuscript writing (P.S.T., J.D.L., O.R.) Final approval of  manuscript (all authors) 

10  Idowu  MO,  Kmieciak  M,  Dumur  C  et  al.  CD44(+)/CD24(‐/low)  cancer  stem/progenitor cells are more abundant  in  triple‐negative  invasive  breast  carcinoma phenotype and are associated  with  poor  outcome.  Hum  Pathol.  2012;43:364‐373.  11  Uchoa  Dde  M,  Graudenz  MS,  Callegari‐ Jacques  SM  et  al.  Expression  of  cancer  stem  cell  markers  in  basal  and  penta‐ negative  breast  carcinomas‐‐a  study  of  a  series  of  triple‐negative  tumors.  Pathol  Res Pract. 2014;210:432‐439.  12  Meacham  CE,  Morrison  SJ.  Tumour  heterogeneity  and  cancer  cell  plasticity.  Nature. 2013;501:328‐337.  13 Shackleton M, Quintana E, Fearon ER et al.  Heterogeneity  in  cancer:  cancer  stem  cells  versus  clonal  evolution.  Cell.  2009;138:822‐829.  14 Chuthapisith S, Eremin J, El‐Sheemey M et  al.  Breast  cancer  chemoresistance:  emerging  importance  of  cancer  stem  cells. Surg Oncol. 2010;19:27‐32.  15  Phillips  TM,  McBride  WH,  Pajonk  F.  The  response  of  CD24(‐/low)/CD44+  breast  cancer‐initiating  cells  to  radiation.  J  Natl  Cancer Inst. 2006;98:1777‐1785.  16  Easwaran  H,  Tsai  HC,  Baylin  SB.  Cancer  epigenetics:  tumor  heterogeneity,  plasticity  of  stem‐like  states,  and  drug  resistance. Mol Cell. 2014;54:716‐727.  17 Schmitt F, Ricardo S, Vieira AF et al. Cancer  stem  cell  markers  in  breast  neoplasias:  their  relevance  and  distribution  in  distinct  molecular  subtypes.  Virchows  Arch. 2012;460:545‐553.  18 Charafe‐Jauffret E, Ginestier C, Iovino F et  al.  Breast  cancer  cell  lines  contain  functional  cancer  stem  cells  with  metastatic  capacity  and  a  distinct 

molecular  signature.  Cancer  Res.  2009;69:1302‐1313.  19 Charafe‐Jauffret E, Ginestier C, Iovino F et  al.  Aldehyde  dehydrogenase  1‐positive  cancer stem cells mediate metastasis and  poor  clinical  outcome  in  inflammatory  breast  cancer.  Clin  Cancer  Res.  2010;16:45‐55.  20 Al‐Hajj M, Wicha MS, Benito‐Hernandez A  et  al.  Prospective  identification  of  tumorigenic breast cancer cells. Proc Natl  Acad Sci U S A. 2003;100:3983‐3988.  21  Ohi  Y,  Umekita  Y,  Yoshioka  T  et  al.  Aldehyde  dehydrogenase  1  expression  predicts poor prognosis in triple‐negative  breast  cancer.  Histopathology.  2011;59:776‐780.  22 Tirino V, Desiderio V, Paino F et al. Cancer  stem  cells  in  solid  tumors:  an  overview  and  new  approaches  for  their  isolation  and  characterization.  FASEB  J.  2013;27:13‐24.  23  Jeter  CR,  Badeaux  M,  Choy  G  et  al.  Functional evidence that the self‐renewal  gene  NANOG  regulates  human  tumor  development.  Stem  Cells.  2009;27:993‐ 1005.  24 Kashyap V, Rezende NC, Scotland KB et al.  Regulation  of  stem  cell  pluripotency  and  differentiation  involves  a  mutual  regulatory  circuit  of  the  NANOG,  OCT4,  and  SOX2  pluripotency  transcription  factors  with  polycomb  repressive  complexes  and  stem  cell  microRNAs.  Stem Cells Dev. 2009;18:1093‐1108.  25  Nagata  T,  Shimada  Y,  Sekine  S  et  al.  Prognostic  significance  of  NANOG  and  KLF4  for  breast  cancer.  Breast  Cancer.  2014;21:96‐101.  26 Ali HR, Dawson SJ, Blows FM et al. Cancer  stem  cell  markers  in  breast  cancer: 

©AlphaMed Press 2014 

CSC reporter system in triple-negative breast cancer

8 pathological,  clinical  and  prognostic  significance.  Breast  Cancer  Res.  2011;13:R118.  27 Cariati M, Naderi A, Brown JP et al. Alpha‐ 6  integrin  is  necessary  for  the  tumourigenicity  of  a  stem  cell‐like  subpopulation  within  the  MCF7  breast  cancer  cell  line.  Int  J  Cancer.  2008;122:298‐304.  28 Zhou L, Jiang Y, Yan T et al. The prognostic  role of cancer stem cells in breast cancer:  a  meta‐analysis  of  published  literatures.  Breast  Cancer  Res  Treat.  2010;122:795‐ 801.  29 Zheng Q, Banaszak L, Fracci S et al. Leptin  receptor  maintains  cancer  stem‐like  properties  in  triple  negative  breast  cancer  cells.  Endocr  Relat  Cancer.  2013;20:797‐808.  30  Lathia  JD,  Li  M,  Sinyuk  M  et  al.  High‐ throughput  flow  cytometry  screening  reveals  a  role  for  junctional  adhesion  molecule  a  as  a  cancer  stem  cell  maintenance  factor.  Cell  Rep.  2014;6:117‐129.  31  Sukhdeo  K,  Paramban  RI,  Vidal  JG  et  al.  Multiplex  flow  cytometry  barcoding  and  antibody  arrays  identify  surface  antigen  profiles  of  primary  and  metastatic  colon  cancer  cell  lines.  PLoS  One.  2013;8:e53015.  32  Liu  H,  Patel  MR,  Prescher  JA  et  al.  Cancer  stem cells from human breast tumors are  involved  in  spontaneous  metastases  in  orthotopic  mouse  models.  Proc  Natl  Acad Sci U S A. 2010;107:18115‐18120.  33  Goswami  S,  Sahai  E,  Wyckoff  JB  et  al.  Macrophages  promote  the  invasion  of  breast  carcinoma  cells  via  a  colony‐  

stimulating  factor‐1/epidermal  growth  factor  paracrine  loop.  Cancer  Res.  2005;65:5278‐5283.  34 Lathia JD, Gallagher J, Heddleston JM et al.  Integrin  alpha  6  regulates  glioblastoma  stem  cells.  Cell  Stem  Cell.  2010;6:421‐ 432.  35  Meyer  MJ,  Fleming  JM,  Lin  AF  et  al.  CD44posCD49fhiCD133/2hi  defines  xenograft‐initiating  cells  in  estrogen  receptor‐negative  breast  cancer.  Cancer  Res. 2010;70:4624‐4633.  36  Mani  SA,  Guo  W,  Liao  MJ  et  al.  The  epithelial‐mesenchymal  transition  generates  cells  with  properties  of  stem  cells. Cell. 2008;133:704‐715.  37  Gotte  M,  Mohr  C,  Koo  CY  et  al.  miR‐145‐ dependent  targeting  of  junctional  adhesion  molecule  A  and  modulation  of  fascin  expression  are  associated  with  reduced  breast  cancer  cell  motility  and  invasiveness.  Oncogene.  2010;29:6569‐ 6580.  38  McSherry  EA,  McGee  SF,  Jirstrom  K  et  al.  JAM‐A  expression  positively  correlates  with  poor  prognosis  in  breast  cancer  patients.  Int  J  Cancer.  2009;125:1343‐ 1351.  39  Murakami  M,  Giampietro  C,  Giannotta  M  et  al.  Abrogation  of  junctional  adhesion  molecule‐A  expression  induces  cell  apoptosis  and  reduces  breast  cancer  progression. PLoS One. 2011;6:e21242.  40  Li  X,  Lewis  MT,  Huang  J  et  al.  Intrinsic  resistance  of  tumorigenic  breast  cancer  cells to chemotherapy. J Natl Cancer Inst.  2008;100:672‐679.  41  Stewart  JM,  Shaw  PA,  Gedye  C  et  al.  Phenotypic  heterogeneity  and  instability 

of  human  ovarian  tumor‐initiating  cells.  Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108:6468‐ 6473.  42  Yu  L,  Liu  S,  Zhang  C  et  al.  Enrichment  of  human  osteosarcoma  stem  cells  based  on  hTERT  transcriptional  activity.  Oncotarget. 2013;4:2326‐2338.  43 Tang B, Raviv A, Esposito D et al. A flexible  reporter  system  for  direct  observation  and  isolation  of  cancer  stem  cells.  Stem  Cell Reports. 2015;4:155‐169.  44 Badeaux MA, Jeter CR, Gong S et al. In vivo  functional  studies  of  tumor‐specific  retrogene  NanogP8  in  transgenic  animals. Cell Cycle. 2013;12:2395‐2408.  45  Jeter  CR,  Liu  B,  Liu  X  et  al.  NANOG  promotes cancer stem cell characteristics  and  prostate  cancer  resistance  to  androgen  deprivation.  Oncogene.  2011;30:3833‐3845.  46  Naik  TU,  Naik  MU,  Naik  UP.  Junctional  adhesion  molecules  in  angiogenesis.  Front Biosci. 2008;13:258‐262.  47  Naik  UP,  Naik  MU.  Putting  the  brakes  on  cancer  cell  migration:  JAM‐A  restrains  integrin  activation.  Cell  Adh  Migr.  2008;2:249‐251.  48  McSherry  EA,  Brennan  K,  Hudson  L  et  al.  Breast  cancer  cell  migration  is  regulated  through  junctional  adhesion  molecule‐A‐ mediated  activation  of  Rap1  GTPase.  Breast Cancer Res. 2011;13:R31.  49 Goetsch L, Haeuw JF, Beau‐Larvor C et al. A  novel  role  for  junctional  adhesion  molecule‐A  in  tumor  proliferation:  modulation by an anti‐JAM‐A monoclonal  antibody.  Int  J  Cancer.  2013;132:1463‐ 1474. 

See www.StemCells.com for supporting information available online. STEM  CELLS ; 00:000–000   

www.StemCells.com

©AlphaMed Press 2014 

9

CSC reporter system in triple-negative breast cancer

Figure 1. Development and validation of a CSC TNBC reporter system. (A) Schematic demonstrates workflow of TNBC  transduction with the NANOG‐GFP reporter. (B) Histograms of MDA‐MB‐231 GFP cells post transduction. Cells were  sorted, and GFP+ cells were cultured for 7 days, after which flow cytometry analysis was repeated. (C) Photomicro‐ graphs of NANOG‐GFP reporter‐transduced TNBC cell lines MDA‐MB‐231 and HCC70 cultured for 7 days after sorting  for GFP expression. Scale bar – 100 µM. (D) Immunoblots of MDA‐MB‐231 and HCC70 cells sorted for GFP and probed  with anti‐GFP antibody. Actin was used as a loading control. (E) Quantification of NANOG mRNA expression in GFP‐ sorted MDA‐MB‐231 cells by qPCR. Actin was used as a control. (*** p 

Development of a Fluorescent Reporter System to Delineate Cancer Stem Cells in Triple-Negative Breast Cancer.

Advanced cancers display cellular heterogeneity driven by self-renewing, tumorigenic cancer stem cells (CSCs). The use of cell lines to model CSCs is ...
2MB Sizes 0 Downloads 8 Views