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In colorectal cancer, oncogenic mutations transform a hierarchically organized and homeostatic epithelium into invasive cancer tissue lacking visible organization. We sought to define transcriptional states of colorectal cancer cells and signals controlling their development by performing single‐cell transcriptome analysis of tumors and matched non‐cancerous tissues of twelve colorectal cancer patients. We defined patient‐overarching colorectal cancer cell clusters characterized by differential activities of oncogenic signaling pathways such as mitogen‐activated protein kinase and oncogenic traits such as replication stress. RNA metabolic labeling and assessment of RNA velocity in patient‐derived organoids revealed developmental trajectories of colorectal cancer cells organized along a mitogen‐activated protein kinase activity gradient. This was in contrast to normal colon organoid cells developing along graded Wnt activity. Experimental targeting of EGFR‐BRAF‐MEK in cancer organoids affected signaling and gene expression contingent on predictive KRAS/BRAF mutations and induced cell plasticity overriding default developmental trajectories. Our results highlight directional cancer cell development as a driver of non‐genetic cancer cell heterogeneity and re‐routing of trajectories as a response to targeted therapy., Colorectal cancer (CRC) cells can adopt a range of transcriptomic states. This study uses single cell RNA sequencing of primary CRC tissue and organoids to identify patient‐overarching CRC cell transcriptome clusters. RNA metabolic labelling indicates preferred CRC cell developmental trajectories.

Der RAF-MEK-ERK-Signalweg steuert grundlegende, oftmals entgegengesetzte zelluläre Prozesse wie die Proliferation und Apoptose von Zellen. Die Dauer des vermittelten Signals wurde als entscheidener Faktor für die Steuerung dieser Prozesse identifiziert. Es ist jedoch nicht eindeutig geklärt, wie die verschiedenen früh und spät reagierenden Genexpressionsmodule kurze und lange Signale unterscheiden können und durch welche kinetischen Merkmale ihre Antwortzeit bestimmt wird. In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl Proteinphosphorylierungsdaten als auch Genexpressionsdaten aus HEK293-Zellen gewonnen, die ein induzierbares Konstrukt des Proto-Onkogens RAF tragen. Hierbei wurde ein neues Genexpressionsmodul identifiziert, dass sich aus sofort induzierten aber spät antwortenden Genen zusammensetzt. Es unterscheidet sich in der Genexpressionsdynamik und Genfunktion von anderen Modulen, und wurde mit Hilfe mathematischer Modellierung experimenteller Daten identifiziert. Es wurde festgestellt, dass diese Gene aufgrund von langen Halbwertszeiten der vermitteltenden mRNA in der Lage sind spät auf das eingehende Signal zu reagieren und die Dauer des Signals in die Amplitude der Genantwort zu übersetzen. Trotz der langsamen Akkumulation und damit späten Antwortzeit, konnte aufgrund einer GC-reichen Promoterstruktur zunächst vermutet und mit Hilfe eines Markerverfahrens bestätigt werden, dass die Transkription dieser Gene instantan mit Beginn der ERK-Aktivierung startet. Eine vergleichende Analyse zeigte, dass das Prinzip der Signaldauer-Entschlüsselung in PC12-Zellen und MCF7-Zellen, zwei paradigmatischen Zellsystemen für die ERK-Signaldauer, konserviert ist. Insgesamt deuten die Ergebnisse der Untersuchung darauf hin, dass das neu identifizierte Genexpressionsmodul der Entschlüsselung der ERK-Signaldauer dient und das mRNA Halbwertszeiten sowohl hierfür, als auch für die zeitliche Abfolge der Genantwort eine entscheidende Rolle spielen. The RAF-MEK-ERK signalling pathway controls fundamental, often opposing cellular processes such as proliferation and apoptosis. Signal duration has been identified to play a decisive role in these cell fate decisions. However, it remains unclear how the different early and late responding gene expression modules can discriminate short and long signals and what features govern their timing. Both protein phosphorylation and gene expression time course data was obtained from HEK293 cells carrying an inducible construct of the proto-oncogene RAF. A new gene expression module of immediate-late genes (ILGs) distinct in gene expression dynamics and function was identified by mathematical modelling. It was found that mRNA longevity enables these ILGs to respond late and thus translate ERK signal duration into response amplitude. Despite their late response, their GC-rich promoter structure suggested and metabolic labelling with 4SU confirmed that transcription of ILGs is induced immediately. A comparative analysis showed that the principle of duration decoding is conserved in PC12 cells and MCF7 cells, two paradigm cell systems for ERK signal duration. Altogether, the findings of this study indicate that ILGs decode ERK signal duration and that both decoding capacity and gene expression timing are governed by mRNA half-life.

Nature Communications 9(1), 20 (2018). doi:10.1038/s41467-017-02391-6