German Title: Vaskuläre Kontrolle der Schicksalsentscheidung metastatischer Tumorzellen

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Abstract

Metastasis is the fatal hallmark of cancer, although representing a highly inefficient biological process. During metastasis, cancer cells hijack blood vessels and travel via the circulation to colonize distant sites, while closely interacting with endothelial cells (EC) throughout the various steps of dissemination. Albeit the endothelium emerged as a crucial regulator of primary tumor growth, tumor cell (TC) invasion, and metastasis formation, its role in priming metastasizing tumor cell (mTC) fates as the interface of dissemination remains largely elusive. This thesis therefore aimed at i) dissecting mTC-EC interactions in the metastatic niche and ii) identifying and functionally characterizing fate instructing endothelial-derived angiocrine signals. Due to the rarity of metastasis, a novel experimental strategy to enrich specifically for mTC subpopulations capturing all cell states of the early colonization process was developed. In combination with single-cell RNA-sequencing, a first blueprint of the transcriptional basis of early mTC decisions was generated and the temporal interactome of mTCs with lung ECs was resolved. Upon their arrest at the metastatic site, TCs either started proliferating intravascularly or extravasated and preferably reached a state of quiescence. Homeostatic endothelial-derived angiocrine Wnt factors were found to drive this bifurcation by inducing a mesenchymal-like phenotype instructing mTCs to follow the extravasation-dormancy route. In-depth analyses of the single-cell data revealed that the responsiveness of mTCs towards angiocrine Wnt signaling was not regulated at the receptor-ligand level. Moreover, in vivo niche-labeling approaches identified that dormant and proliferative TCs occupied the same vascular niches and that the endothelium elicited a bimodal response toward the tumor challenge. This was marked by focal upregulation of biosynthesis genes and matrix remodeling events in the physical vascular micro-niche of proliferating TCs but not dormant TCs, and the systemic upregulation of immune-regulatory angiocrine factors. Surprisingly, morphologically homogenous TCs displayed unexpected baseline transcriptional heterogeneity in culture, which was established at the epigenetic level and served as the impetus of mTC behavior. Epigenetically plastic cells were marked by high Wnt signaling activity and a mesenchymal-like state, leading them to preferably follow the extravasation-dormancy route. Epigenetically sealed TCs had low activity and proliferated intravascularly. Collectively, the data identified the predetermined methylation status of disseminated TCs as a key regulator of mTC behavior in the metastatic niche. While metastatic niche-derived factors per default instruct the acquisition of quiescence, mTCs unwind a default proliferation program and only deviate from it if epigenetic plasticity renders them responsive toward the microenvironment.

Translation of abstract (German)

Metastasierung ist der tödlichste Schritt einer Krebserkrankung. Während der Metastasierung infiltrieren Tumorzellen (TZ) Blutgefäße, verbreiten sich über die Blutbahn und kolonisieren fremde Organe, wobei sie mit Gefäß auskleidenden Endothelzellen (EZ) interagieren. Das Endothel selbst hat sich als wichtiger Regulator des Primärtumorwachstums, der Tumorzellinvasion und des metastatischen Auswuchses hervorgetan; seine Rolle als Instruktor des metastatischen Verhaltens metastasierender TZ (mTZ) ist jedoch wenig erforscht. Diese Thesis befasst sich demnach mit i) der Entschlüsselung der mTZ-EZ Interaktionen in der metastatischen Nische und ii) der Identifikation und Charakterisierung instruktiver angiokriner Signale. Aufgrund der Ineffizienz und der damit verbundenen Seltenheit metastatischer Dissemination, wurde im ersten Schritt dieser Arbeit ein experimentelles Model entwickelt, das die Anreicherung mTZ-Subpopulationen und damit die gesamtheitlich Abbildung des Kolonisierungsprozesses ermöglichte. Mit Hilfe von Einzelzell-RNA-Sequenzierung wurde die transkriptomische Grundlage des frühen mTZ Entscheidungsprozesses, sowie das temporale Interaktom zwischen mTZ und EZ entschlüsselt. Es wurde festgestellt, dass mTZ nach ihrer Ankunft im metastasischen Organ entweder extravasieren und präferiert in einen Ruhezustand fallen oder innerhalb des Blutgefäßes anfangen zu proliferieren. Diese Zweiteilung wurde durch homöostatische angiokrine Wnt Faktoren getrieben, welche einen mesenchymalen Phänotypen in mTZ induzierten, der wiederum Extravasation und zelluläre Quieszenz begünstigte. Bioinformatische Analysen und in vivo Markierungstechniken offenbarten, dass dieses Verhalten nicht über differenzielle Rezeptor-Ligand Interaktion reguliert war und dass dormante und proliferierende TZ dieselbe vaskuläre Nische besetzten. Im Gegensatz zu dormanten TZ war die physische vaskuläre Nische proliferierender TZ charakterisiert durch die Expression biosynthetischer Gene, die den Umbau der extrazellulären Matrix bedingten, während das Endothel gesamtheitlich eine immun-regulatorische Funktion aufwies. Überraschenderweise besetzten morphologisch homogene TZ in Kultur verschiedene transkriptomische Zustände, was epigenetisch gesteuert wurde und direkt das metastatische Verhalten von mTZ bestimmte. Epigenetische Plastizität ermöglichte eine hohe Wnt-Grundaktivität and einen mesenchymalen Phänotyp, was wiederum Extravastion und Tumordormanz begünstigte. Epigenetisch beschränkte TZ waren durch niedrige Signalaktivität charakterisiert und proliferierten folglich intraluminal. Zusammengefasst identifiziert die hier präsentierte Arbeit das prädeterminierte Verhalten disseminierter TZ basierend auf ihrem epigenetischen Status. Während Faktoren der vaskulären metastatischen Nische Tumorzellquieszenz fördern, starten TZ ein Proliferationsprogramm und weichen davon nur ab, falls epigenetische Plastizität die Zellen empfänglich für Nischfaktoren macht.