chloroquine eliminates cancer stem cells through deregulation of jak2 and dnmt1

23

Click here to load reader

Upload: jenny-c

Post on 25-Dec-2016

216 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

STEM CELLS 2014;00:00‐00 www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

CANCER STEM CELLS  1Methodist  Cancer  Center,  Houston 

Methodist  Hospital,  Houston,  TX 77030.2Department of Nanomedicine, Hou‐ston Methodist Research Institute, Houston, TX  77030.3Department  of  Translational Imaging, Houston Methodist Research Insti‐tute,  Houston  TX  77030.4Department  of Systems  Medicine  and  Bioengineering, Houston Methodist Research Institute, Weill Cornell Medical College, Houston, TX 77030. 5NCI  Center  for Modeling  Cancer  Develop‐ment,  Houston  Methodist  Research  Insti‐tute,  Houston,  TX  77030.6Department  of Molecular  Medicine/Institute  of  Biotech‐nology,  The University of  Texas Health  Sci‐ence  Center  at  San  Antonio,  San  Antonio, TX, 782297Weill Cornell Medical School, NY, NY 10065, USA

*To  whom  correspondence  should  be 

addressed:  Jenny  Chang,  6445  Main  St., P21‐34,  Houston,  TX  77030,  USA.  Phone: 713‐441‐0681,  Fax:  713‐793‐1642,  E‐mail: [email protected]; †These authors contrib‐uted  equally  to  this  work.;  Acknowledg‐ment: This work was supported by NIH/NCI grants R01 CA138197, U54 CA149196, Golf‐ers against Cancer, Breast Cancer Research Foundation, Causes  for a Cure, Team Tiara, Emily W. Herrman Cancer Research Labora‐tory,  and  Komen  for  Cure  KG  081694. We declare  that none of  the authors have any financial interest related to this work.

Received  September  10,  2013;  accept‐

ed for publication March 30, 2014; available online  without  subscription  through  the open access option.

©AlphaMed Press  1066‐5099/2014/$30.00/0 This article has been accepted  for pub‐

lication and undergone full peer review but has not been through the copyediting, type‐setting,  pagination  and  proofreading  pro‐cess which may lead to differences between this  version  and  the  Version  of  Record. 

Please  cite  this  article  as  doi:  as  doi: 10.1002/stem.1746 

Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells through Deregulation of Jak2 and DNMT1  DONG SOON CHOI1†, ELVIN BLANCO2†, YOO‐SHIN KIM3, ANGEL A. 

RODRIGUEZ1, HONG ZHAO4,5, TIM HUI‐MING HUANG6, CHEN, 

CHUN‐LIANG6, GUANGXU JIN4, MELISSA D. LANDIS1, LACEY A. BUREY1, QIAN, WEI

1, SERGIO M. GRANADOS1, BHUVANESH 

DAVE1, HELEN H. WONG1, MAURO FERRARI2, STEPHEN TC 

WONG 4,5, JENNY C. CHANG1,6* 

Key words. Breast Cancer Stem Cells • Autophagy • Chloroquine • DNMT1 • 

Jak2. ABSTRACT

Triple  negative  breast  cancer  (TNBC)  is  known  to  contain  a high per‐

centage of CD44+/CD24‐/low  cancer  stem  cells  (CSC),  corresponding with a poor prognosis despite systemic chemotherapy. Chloroquine (CQ), an anti‐malarial  drug,  is  a  lysotropic  reagent which  inhibits  autophagy.  CQ was identified as a potential CSC inhibitor through in silico gene expression sig‐nature analysis of the CD44+/CD24‐/low CSC population. Autophagy plays a critical role in adaptation to stress conditions in cancer cells, and is related with  drug  resistance  and  CSC maintenance.  Thus  the  objectives  of  this study were to examine the potential enhanced efficacy arising from addi‐tion  of  chloroquine  (CQ)  to  standard  chemotherapy  (paclitaxel)  in  TNBC and  to  identify  the mechanism  by which  CQ  eliminates  CSCs  in  TNBCs. Herein, we report that CQ sensitizes TNBC cells to paclitaxel through inhibi‐tion of autophagy and reduces the CD44+/CD24‐/low CSC population in both preclinical and  clinical  settings. Also, we are  the  first  to  report a mecha‐nism by which CQ regulates the CSCs in TNBC through inhibition of the Ja‐nus‐activated kinase 2 (Jak2) ‐ Signal transducer and activator of transcrip‐tion 3  (STAT3)  signaling pathway by  reducing  the expression of  Jak2 and DNA methyltransferase 1 (DNMT1). STEM CELLS 2014; 00:000–000

Page 2: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

INTRODUCTION

Triple  negative  breast  cancer  (TNBC)  is  defined  by 

the absence of expression of estrogen receptor, proges‐terone  receptor,  and  human  epidermal  growth  factor receptor 2 (Her2). It is an aggressive and lethal form of breast cancer with relative  lack of targeted therapeutic options and poor prognosis [1, 2]. It constitutes roughly 15%  of  breast  cancer  cases  and  accounts  for  25%  of breast cancer mortality principally due to early relapse and  frequent metastasis  [1, 2].  In addition, TNBC has a higher percentage of CD44+/CD24‐/low cancer stem cells (CSC) compared  to other  types of breast cancer  [1, 3]. We  have  previously  reported  an  enrichment  of CD44+/CD24‐/low CSCs  following chemotherapy  in wom‐en with  locally  advanced breast  cancer,  suggesting  re‐sistance of CSCs to conventional therapy [4]. As chemo‐therapy  is  the  only  choice  of  treatment  for  TNBC  pa‐tients, a viable strategy is needed to target CSCs in addi‐tion to conventional chemotherapy [5, 6].

Autophagy  constitutes  a  salvage pathway  for  recy‐cling nutrients  that has been  implicated  in  various  as‐pects of cancer, including cell survival under stress con‐ditions, drug  resistance,  and metastasis  [7, 8]. Moreo‐ver,  autophagy‐mediated metabolic  coupling  between cancer  cells  and  neighboring  stromal  cells  has  been identified  as  a mechanism  of  cancer  survival,  growth, and  resistance  to  therapy  [9,  10].  Additionally,  recent reports emphasize critical roles of autophagy in mainte‐nance  of  CSC  self‐renewal  in  breast  cancer  [11,  12], leading  to  the  exploration  of  potential  anti‐autophagy strategies for eliminating CSCs  in preclinical and clinical studies.

Chloroquine  (CQ)  is an anti‐malarial drug known  to inhibit autophagy by disrupting  lysosomal  stability and function [7]. Previously, we identified a CD44+/CD24‐/low MS‐forming  treatment‐resistant gene expression signa‐ture using biopsies obtained from women with primary breast cancer [4]. Through network analysis of the gene signature, CQ was repositioned as a putative anti‐cancer drug against CD44+/CD24‐/low CSCs. Interestingly, CQ has been identified as a cancer stem cell targeting agent for other  aggressive  cancers  including  breast  cancer  [11, 12], glioblastoma multiforme [13], and chronic myeloid leukemia  [14]. However,  the mechanism  by which  CQ affects the CD44+/CD24‐/low CSCs remains unclear.

We  investigated  the  therapeutic potential of CQ  in combination with  paclitaxel  (PTX) on  the  CD44+/CD24‐/low CSC population, and determined the value and fea‐sibility  of  incorporating  CQ  with  chemotherapy  for treatment of therapy‐resistant TNBC. We hypothesized that CQ affects the CSC self‐renewal through the inhibi‐tion of autophagy. Our findings suggest that CQ reduces the  CD44+/CD24‐/low  CSCs  population  in  TNBC  cells through  autophagy  and  by  down‐regulation  of  Janus‐activated kinase 2  (Jak2) signaling pathway with a con‐comitant  inhibition  of  DNA  methyltransferase  1 (DNMT1) expression.

MATERIALS AND METHODS

Materials  and  Cell  culture.  Triple  negative  breast 

cancer  cell  lines  (Hs578t, MDA‐MB‐231, HCC1937, and HCC38)  were  purchased  from  American  Type  Culture Collection  (Manassas, VA, USA), with  the  exception of SUM159PT (Asterand, Detroit, MI). All cells were main‐tained in DMEM (Invitrogen, Grand Island, NY) and 10% FBS  (Thermos Scientific Hyclone, Rockford,  IL)  in a hu‐midified  5%  CO2  incubator  at  37°C.  SUM159PT  cells were first maintained in F12 (Invitrogen) containing 10% FBS,  insulin  (5  μg/ml),  and  hydrocortisone  (1  μg/ml), then  adjusted  to DMEM  (high  glucose  and  glutamine) with 10% FBS. All chemicals were purchased from Sigma unless  otherwise  specified.  Chloroquine  was  first  dis‐solved  in DPBS  (Invitrogen) at  the concentration of 0.1 M  (kept  in  ‐80°C)  and  diluted  further  in  DPBS  (CQ  1 mM). All CD marker antibodies and mouse  IgG  isotype antibodies  were  purchased  from  BD  Biosciences,  San Jose,  California.  Rabbit  polyclonal  anti‐p‐Jak2,  rabbit monoclonal  anti‐Jak2,  rabbit  polyclonal  anti‐pSTAT3‐705,  rabbit  polyclonal  anti‐pSTAT3‐727, mouse mono‐clonal  STAT3,  and mouse monoclonal  anti‐Actin  anti‐bodies were purchased from Cell Signaling Technology, Danvers,  MA.  Mouse  monoclonal  anti‐DNMT1,  rabbit polyclonal  anti‐SOCS1,  and  mouse  monoclonal  anti‐SOCS3 were purchased  from Santa Cruz Biotechnology Inc., Dallas, TX. SYTOX® Blue Nucleic Acid Stain (SYTOX‐Blue) was purchased  from  Invitrogen  for nuclear stain‐ing of dead cells.

In  silico  drug  Repositioning  for  breast  CSCs.  Our previously  published  gene  expression  data  of  breast CSCs  (CD44+/CD24‐/low  and  MS‐forming  treatment‐resistant cells) was used  for  in silico drug repositioning analysis (GSE7513, SE7515 and GSE10281 [4]). The Can‐cer  Signaling  Bridges  (CSBs)–based  drug  repositioning computational modeling method was applied to derive specific CSCs signaling pathways [15, 16].

Mammosphere  Assay.  Mammosphere  (MS)  assay was  performed  as  previously  described  with  minor modification [4, 17]. Modified methods are described in the Supplementary Materials and Methods.

Fluorescence‐activated cell sorting  (FACS) analysis. Cell  lines  and  clinical  samples were  stained with  anti‐bodies against CD44‐APC and CD24‐FITC for FACS analy‐sis and  cell  sorting as previously described  [17]. A  sin‐gle‐arm, phase  two  clinical  trial  (NCT01446016)  is  cur‐rently  active  and  enrolling  patients  at  our  institution. Patients with metastasis or locally advanced breast can‐cer  previously  treated  with  anthracyclines  underwent treatment  with  a  combination  of  taxane  and chloroquine.  Biopsies  were  then  obtained  at  baseline and at day 42 after treatment. FACS analysis and sorting was performed at  the Houston Methodist Hospital Re‐search  Institute  flow  cytometry  core  using  BD  FACS Fortessa  for FACS analysis of CSCs and BD FACS Aria  II for cell sorting.

Page 3: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

Western  blot  and  Immunoprecipitation  Assays. Western blotting and immunoprecipitation experiments were performed with  the  listed primary and matching secondary antibodies as described previously  [18]. De‐tailed  procedures  are  described  in  the  Supplementary Materials and Methods.

In  vivo  experiments.  All  animal  procedures  were approved by the Methodist Hospital Research  Institute Animal Care and Use Review Office. Athymic nude Mice (Hsd:Athymic  Nude‐Foxn1nu)  (5  weeks  old;  20‐23  g) were  purchased  from  Harlan  Laboratories,  Inc.,  Hou‐ston,  TX.  Detailed methods  are  described  in  the  Sup‐plementary Materials and Methods.

Immunofluorescence  staining  for  the  co‐localization  of  Jak2  and  SOCS3.  Cells were  fixed  and stained using antibodies  listed  in Supplementary Mate‐rials and Methods as described previously [18].

Real‐Time PCR for SOCS1 and SOCS3. Real‐Time PCR for SOCS1 and SOCS3 was performed as described pre‐viously [17] with minor modifications. Detailed methods are  described  in  the  Supplementary  Materials  and Methods.

SOCS3 promoter PCR  for methylation analysis. For the  PCR  primer  design,  sequences  of  proximal  SOCS3 promoter regions (‐5676 and +2633) was obtained from the  NCBI  reference  sequence  (NC_000017.10 GI:224589808)  for  Homo  sapiens  chromosome  17, GRCh37.p13 Primary Assembly. Primers were  then de‐signed using primer3 [19] to result in about 200 to 250‐bp of PCR products. The sequences and the site of each primer are indicated in Supplementary Table S1.

Methyl‐CpG‐binding domain proteins‐enriched DNA sequencing  (MBDCap‐Seq)  assay  and  data  analysis. Methylated DNA  from control and chloroquine‐treated MDA‐MB‐231  cells was  eluted  using  the MethylMiner Methylated  DNA  Enrichment  Kit  (Life  Technologies) following  the manufacturer’s  instructions  as described below.  Genomic  DNA was  sonicated  to  ~300‐bp  frag‐ments. Methylated DNA was  captured by methyl‐CpG‐binding domain proteins and  subsequently eluted  in 1 M salt buffer for precipitation. Libraries were generated from eluted DNA (>10 ng) for single‐end 50‐bp sequenc‐ing  following  the  protocols  from  Illumina  (San  Diego, CA). MBDCap‐seq  libraries  were  sequenced  using  the Illumina  HiSeq  2000  system  protocols.  Image  analysis and  base  calling  were  performed  with  the  standard Illumina  pipeline.  Using  the  ELAND  algorithm,  unique reads  (up  to 50 bp  reads) were mapped  to  the human reference  genome  (hg19)  with  Bowtie  version  0.12.7 [20] with reported parameters  [21]. Further analysis of the MBDCap‐seq data was performed by  the Houston Methodist  Research  Institute  Genomics  Core  as  de‐scribed in the Supplementary Materials and Methods.

Statistical Analysis. We used two‐tailed Student’s t‐test for comparison of two groups and one‐way ANOVA for multiple  group  comparison.  Two‐way  ANOVA was used  for  all  animal  experiments.  Each  value  reported represents  the mean of at  least  three  replicate experi‐ments with standard deviations. The values  in  the ani‐

mal  experiments  represent  the mean  of  10  individual mice per group with standard error of  the mean. Data were tested for normal distribution, and Student’s t‐test and ANOVA were used  to determine  statistical  signifi‐cance.  To  account  for  multiple  comparisons,  Tukey’s multiple  comparison  tests  for  one‐way  ANOVA  and Boneferroni  post  tests  for  two‐way  ANOVA were  per‐formed with  Graphpad  Prism  5.0  (Graphpad  Software Inc., La Jolla, CA, USA). In all cases, p values < 0.05 were considered statistically significant.

All other materials and methods are described in the Supplementary Materials and Methods.

RESULTS

In silico drug repositioning. Differentially expressed 

genes (p<0.001, Student’s t test) from the CD44+/CD24‐/low and MS‐forming treatment‐resistant cells were used to  identify  CSC  pathways  (p<0.05,  Fisher  exact  two‐tailed  test).  The  enriched  pathways  included:  NOTCH, VEGF, PTEN, sonic Hedgehog, Wnt/β‐catanin, JAK/STAT, P53, and PI3K/AKT signaling. The CSB‐analysis was then performed  to  extend  the  incomprehensive  pathways and establish cross‐talks within pathways  [15, 16]. The signaling  networks  included  140  gene  nodes  for  the CD44+/CD24‐/low  cells  (Fig  1A  and  Supplementary  Fig. S1A)  and  153  gene  nodes  for  the  MS‐forming  treat‐ment‐resistant  cells  (Supplementary  Fig.  S1B).  After mapping all gene nodes to the drug database, a total of 21 drugs,  including chloroquine, auranofin, and arsenic trioxide, were identified as candidate drugs which could target  the  CSC  pathways.  We  chose  to  focus  on chloroquine  (CQ),  which  has  been  clinically  used  for several decades, displaying a safe toxicity profile, alone and in combination with paclitaxel.

CQ  inhibits mammosphere  formation  and  reduces CD44+/CD24‐/low populations  in TNBC  cell  lines. To de‐termine whether CQ would have an effect on decreas‐ing mammosphere  forming  efficiency  (MSFE), we  per‐formed a dose response experiment  for CQ  in  four dif‐ferent  TNBC  cell  lines,  Hs578t,  MDA‐MB‐231, SUM159PT,  and  HCC1937  as  shown  in  Fig.  1B.  Even though sensitivity to CQ varied according to cell line, we found that CQ at 1 or 5 µM effectively decreased prima‐ry MSFE  in Hs578t, MDA‐MB‐231,  and HCC1937 TNBC cell  lines  (Fig. 1B), and also secondary MS  formation  in SUM159 and MDA‐MB‐231 cells (Fig. 1B) by specifically targeting  the CD44+/CD24‐/low populations  (Supplemen‐tary Fig. S2A). Hs578t and HCC1937  cells did not  form secondary MS under the same culture conditions. Simi‐larly, we observed a significant dose‐dependent  reduc‐tion  in CD44+/CD24‐/low populations  (15%  to 50%) with CQ  treatment  alone  or  in  combination with  paclitaxel (PTX), correlating with the observed decrease in prima‐ry and secondary MSFE (Fig. 1C). Additionally, we found that  CQ  reduced  breast  CSCs  identified  by  Aldehyde dehydrogenase1  (ALDH1)  activity  through  ALDEFLUOR assay  as  described  previously  [22].  CQ  alone  showed significant  reduction  of  ALDEFLUOR‐positive  cells  in 

Page 4: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

MDA‐MB‐231 (50‐fold decrease) and SUM159PT (8‐fold decrease) (Supplementary Fig. S2B).

CQ‐PTX treatment reduced CD44+/CD24‐/low popula‐tion in patients. A clinical trial is currently underway to evaluate the efficacy of CQ  in combination with PTX  in women  with  treatment‐refractory  advanced  or meta‐static breast cancer. Consistent with in vitro results, the combination  treatment  of  CQ  and  PTX  reduced  the CD44+/CD24‐/low  population  by  5‐  to  6‐fold  in  two  pa‐tients after treatment cycles (Fig. 1D). However, a min‐imal  reduction of  the CSC population was observed  in one patient. These  results  support  the preclinical  find‐ings  and  confirm  the  potential  for  improved  patient response  resulting  from  the  combination  of  CQ  and taxane therapy.

Inhibition of autophagy by CQ sensitizes TNBC cells to Paclitaxel. We next  investigated whether the reduc‐tion of CSCs by CQ could be correlated with inhibition of autophagy,  thus  sensitizing  TNBCs  to  chemotherapy. Firstly,  inhibition  of  autophagy was  confirmed  by  ob‐serving  accumulation  of  autophagosomes  in  Hs578t cells treated with CQ  (1 µM) alone and  in combination with PTX (5 nM) using TEM. Autophagosomes were not detected in either control or PTX‐treated cells (Fig. 2A). Additionally, CQ  induced puncta  formation  (green) and inhibited  the  formation  of  PTX‐induced autophagolysosomes  (yellow)  in  MDA‐MB‐468  cells, expressing GFP‐tagged  LC3B  (Supplementary  Fig.  S3A). The  inhibition  of  autophagy was  further  confirmed  by detection  of  LC3B‐II  and  up‐regulated  p62  in  all  cells treated with CQ alone or  in combination with PTX (Fig. 2B).  In PTX‐treated cells, a marginal  increase  in LC3B‐II along with  a  partial  increase  or  decrease  in  p62 was observed  (Fig. 2B),  indicating autophagy  induction. En‐hanced antitumor effects of the combination treatment over  PTX  alone were  confirmed  by  increased  cleaved caspase‐3  (Fig.  2B)  and  by  enhanced  apoptosis meas‐ured by Annexin V and/or Sytox‐Blue positive cell popu‐lations (Supplementary Fig. S3B). Additionally, CQ alone increased  cleaved  caspase‐3  in  Hs578t  and MDA‐MB‐231  cells  (Fig  2B). Thus,  these  results  suggest  that CQ may  be  used  in  combination  with  chemotherapy  in TNBC cells.

In vivo inhibition of tumor growth and lung metas‐tasis by CQ. We observed a significant 50%  (p<0.0001) in vivo growth inhibition in orthotopic MDA‐MB‐231 G/L tumors  by  CQ  treatment  alone  compared  to  controls (Fig.  2C).  Additionally,  the  CQ  treatment  prevented spontaneous  lung metastasis  from  90%  in  controls  to 20%  in  treatment  mice,  with  significant  reduction  of tumor  burden  in  lungs  (p<0.003)  (Fig.  2D).  We  next compared the  impact of CQ‐PTX treatment against PTX alone  in MDA‐MB‐231  G/L  orthotopic  tumor models. The combination treatment reduced tumor size by 50% compared  to  PTX  alone  (p<0.001)  (Fig.  2E).  Further‐more,  we  observed  significantly  slower  tumor  recur‐rence  in CQ‐PTX  treated mice  compared  to  PTX  alone treatment  arm;  20% of  the mice  in  the CQ‐PTX  group showed  complete  regression  of  tumor  during  the 

treatment  cycle with  no  recurrence  observed. Moreo‐ver, an additional 20% of the mice in the CQ‐PTX group showed  consistent  reduction  in  tumor  size  even  after the  last  treatment,  in  contrast  to  continuous  tumor growth observed  in all mice  in the PTX group (data not shown).  The  anti‐tumor  effects  of  CQ‐PTX  were  also confirmed in the SUM159PT orthotopic xenograft mod‐el  involving a four‐week treatment of Control (PBS) CQ (10mg/kg,  daily,  i.p.),  PTX  (15mg/kg,  twice  per  week, i.p.), or  in combination. Consistently,  the CQ‐PTX com‐bination  treatment  arm  was  the  only  group  to  show significant inhibition of tumor growth while CQ alone or PTX  alone  showed  no  statistical  difference  in  tumor volume  compared  to  controls  (Fig.  2F).  These  results may suggest that CQ enhances the anti‐tumor effects of PTX by decreasing the CSCs.

CQ  reduces  breast  cancer  stem  cells  in  vivo.  For cancer  stem  cell  analysis,  additional  cohorts  of  mice bearing either MDA‐MB‐231  (n=7) or SUM159PT  (n=5) orthotopic  tumors  were  treated  for  two  weeks  with vehicle,  CQ  (10mg/kg,  daily),  PTX  (15mg/kg,  twice  per week) or  the  combination, CQ‐PTX. We  confirmed  the enhanced  anticancer  effects  of  CQ‐PTX  in  both  tumor cell  lines  compared  to  the  control  group or PTX alone (Fig. 3A and 3B). Additionally, we found that PTX signifi‐cantly  increased  the  Aldeflour+  CSCs  by  three‐fold  in MDA‐MB‐231 tumors  (Fig. 3C) and the CD44+/CD24‐/low CSCs  by  two‐fold  in  SUM159PT models  (Fig.  3D)  com‐pared  to  controls. We  did  not  observe  any  significant change  in  the CSC population  by CQ  alone,  but CQ  in combination  with  PTX  reduced  the  PTX‐induced  CSC population to control levels in both tumor cell lines (Fig. 3C and Fig 3D). We further investigated the tumorigenic potential  of  tumors  by  testing  sphere  forming  ability. Interestingly,  the  PTX‐induced  CSC  increase  correlated well with  the  increased MSFE  in both  the primary and the  secondary MS of MDA‐MB‐231 and SUM159PT  tu‐mors compared to the controls (Fig. 3E and 3F). The CQ‐PTX  combination  treatment  significantly  inhibited  the PTX‐induced primary MSFEs of the two tumor cell  lines comparable  to  control  levels  in  the  primary MS,  and further  reduced  the MSFE more  than  four  times  lower than  controls  in  the  secondary MS  for both MDA‐MB‐231 (Fig. 3E) and SUM159PT tumors (Fig. 3F). CQ did not alter the sphere forming ability compared to controls in the primary MS, but reduced the secondary MSFE by 4 fold  in  MDA‐MB‐231  tumors  (Fig.  3E)  and  2  fold  in SUM159PT  tumors  (Fig. 3F).  Finally, we  confirmed  the CSC  targeting effects of CQ  through a  limiting dilution assay  for  MDA‐MB‐231  tumors  using  three  dilutions; 75,000  (75k), 25,000  (25k), and 5,000  (5k)  cells. CQ or CQ  combination with  PTX  completely  inhibited  tumor formation for 6 weeks in all three dilutions of cells com‐pared  to  controls or PTX  (Fig. 3G). As anticipated,  the PTX‐mediated  CSC  increase  also  correlated  well  with higher tumor  incidence rates at cell each dilution assay compared to controls; 100% vs 38% at 75k, 50% vs 13% at 25k, and 75% vs 38% at 5k dilutions (Fig. 3G). Also, by pairwise comparison, we confirmed that CQ significant‐

Page 5: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

ly reduced the CSC  frequencies  in tumors compared to controls or the PTX treatment group (Fig. 3G). Together, these results strongly support the CSC‐targeting effects of CQ in vivo.

CQ  inhibits  Jak2‐STAT3 signaling pathway  in CSCs. As  the  Jak2/STAT3  signaling  pathway  is  critical  for maintenance of breast cancer stem cells [5], we investi‐gated  the effects of CQ, PTX,  and  the  combination on this  signaling  pathway.  The  phosphorylation  of  STAT3 (Tyr705) was compromised by CQ alone, PTX, or CQ‐PTX in Hs578t and SUM159PT cells, while CQ‐PTX was most effective at  inhibiting phosphorylation  (Fig. 4A). Analo‐gously, we observed significant reduction of pSTAT3 by CQ  or  CQ‐PTX  compared  to  controls  in MDA‐MB‐231 cells.  However,  PTX  induced  a  substantially  higher phosphorylation  of  STAT3  (Fig.  4A).  The  changes  in STAT3 phosphorylation were correlated with the phos‐phorylation status of Jak2 in all three cell lines. Interest‐ingly, we observed significant reduction of Jak2 expres‐sion by CQ‐PTX  in all  three cell  lines  (Fig 4A). We next investigated the Jak2‐STAT3 signaling pathway in sorted CD44+/CD24‐/low  CSC  and  non‐CSC  populations  of SUM159PT cells when treated with either CQ, PTX, or in combination, CQ‐PTX. We observed a reduction of Jak2 phosphorylation  in CSCs by CQ, PTX, and CQ‐PTX, with the  most  significant  inhibition  achieved  with  CQ‐PTX compared  to  controls  (Fig  4B).  In  non‐CSCs,  only  the combination treatment  inhibited  Jak2 phosphorylation. However, we found substantial reduction in Jak2 follow‐ing CQ‐PTX  treatment only  in  the CSCs  (Fig  4B). Addi‐tionally,  CQ  inhibited  pSTAT3‐705,  albeit,  less  signifi‐cantly  than  CQ‐PTX  treatment,  only  in  CSCs  of SUM159PT, while PTX alone showed no effects (Fig.4B). In non‐CSCs, pSTAT3‐705 was up‐regulated by CQ, PTX, and  CQ‐PTX.  Consistently,  the  combination  treatment also  reduced  the phosphorylation of  STAT3 at  S727  in CSCs (Fig.4B). Furthermore, CQ alone or in combination with  PTX  substantially  inhibited  the  PI3K/Akt/mTOR pathway, an alternate pathway that can activate STAT3 in  breast  CSCs  [23],  through  activation  of  PTEN  (Sup‐plementary Fig. S4). These results suggest that CQ may affect CSCs by  inhibiting activation of STAT3 and by re‐ducing Jak2 expression. 

  CQ‐PTX induces the expression of suppressor of cy‐

tokine  signaling  (SOCS)  families  in  CSCs.  Since  SOCS1 and SOCS3 are known to induce Jak2 degradation upon its  activation  [24,  25],  we  investigated  whether  the SOCS  family  plays  a  role  in  CQ‐mediated  Jak2/STAT3 deregulation.  Gene  expression  analysis  by  RT‐PCR showed no alteration of Jak2 gene expression under any treatment (data not shown). In SUM159PT CSCs, a time‐dependent increase in SOCS1 and SOCS3, and reciprocal decrease in pJak2 and Jak2, was found following CQ‐PTX treatment compared to PTX alone at 48 hours (Fig. 4C). However,  in an  immunoprecipitation assay, SOCS3 was found associated with Jak2 and not SOCS1 in SUM159PT CSCs  (Fig.  4D).  Using  immunofluorescence  co‐

localization  imaging,  the  increased  interaction  of  Jak2 with SOCS3 was  confirmed  in SUM159PT CSCs  treated with CQ‐PTX in comparison to PTX alone (Fig. 4E). Final‐ly, we were able to rescue Jak2 expression by silencing SOCS3 using siRNA in SUM159PT CSCs treated with CQ‐PTX  (Fig.  4F).  Moreover,  silencing  SOCS3  expression increased  Jak2  protein  level  in  normal  culture  condi‐tions, hinting at the Jak2 regulating nature of SOCS3  in SUM159PT CSCs (Supplementary Fig. S5). Taken togeth‐er, these results confirm that CQ‐PTX treatment result‐ed in the expression of SOCS1 and SOCS3 and enhanced interaction  of  SOCS3  with  Jak2,  causing  reduction  of Jak2 protein level in CSCs.

CQ  suppressed  the  expression  of  DNA methyltransferase 1  in CSCs. The expression of SOCS1 and  SOCS3  can  be  regulated by DNA methylation  [26, 27]. To  that  end, we  found  that  the CQ‐PTX  combina‐tion  treatment  significantly  reduced  DNMT1  in  of Hs578t,  SUM159PT,  and  MDA‐MB‐231  bulk  tumors compared to controls or PTX alone treatment (Fig. 5A). Likewise,  we  also  observed  significantly  reduced DNMT1 by CQ or CQ‐PTX compared to controls and PTX alone respectively  in CSCs and non‐CSCs of SUM159PT, while PTX increased DNMT1 expression in both popula‐tions of cells (Fig. 5B). The negative effects of CQ‐PTX on DNMT1 expression in CSCs of basal‐like TNBCs HCC1937 and HCC38 (Fig. 5B) was further confirmed. The changes in DNMT1 protein  levels  induced by CQ or CQ‐PTX sig‐nificantly correlated with changes  in global DNA meth‐ylation.  In Hs578t and MDA‐MB‐231 cells, CQ alone  in‐duced  hypomethylation  by  50%  (p<0.0001)  and  8% (p<0.05),  respectively  (Fig.  5C).  PTX  also  induced hypomethylation in Hs578t by 50% (p<0.0001), while no changes were  observed  in MDA‐MB‐231  cells.  CQ‐PTX induced  the most  significant  hypomethylation  in  both cell lines compared to controls or to PTX. In SUM159PT bulk  tumor  cells,  no  changes  in methylation were  ob‐served  following  CQ  treatment,  while  PTX  or  CQ‐PTX induced  substantial  hypermethylation  (Supplementary Fig. S6). However, CQ  induced global hypomethylation in  CSCs  of  SUM159PT  by  50%  (p<0.001) while  PTX  in‐duced  hypermethylation  (p<0.0001)  compared  to  con‐trols  (Fig.  5C).  CQ‐PTX  reduced  global methylation  by 10%  relative  to  PTX  treatment  (p<0.05)  (Fig.  5C).  It  is important  to note  that more  than  85%  in Hs578t  and 97% of MDA‐MB‐231 cells were CD44+/CD24‐/low. Thus, we  confirmed  that  the  increase  in  SOCS1  and  SOCS3 expressions was due to the down‐regulation of DNMT1 in  SUM159PT CSCs  (Fig.  5D). However, we  found  a  4‐fold increase in SOCS3 mRNA alone in CSCs treated with CQ‐PTX compared to PTX, while no difference in SOCS1 mRNA was detected  (Fig. 5E). This  result suggests  that SOCS1 up‐regulation might be an indirect effect of DNA hypomethylation.  Consequently,  we  observed  CQ‐PTX induced  hypomethylation  in  three  different  promoter regions of SOCS3 after CQ‐PTX treatment in SUM159PT CSCs compared to PTX (Fig. 5F). We also confirmed the effects of CQ‐PTX on DNMT1, pSTAT3, and Jak2  in vivo (Supplementary Fig. S7A and S7B). Taken together, our 

Page 6: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

data  suggests  that  CQ  regulates  the  Jak2‐STAT3  path‐way to target CSCs through DNA methylation of SOCS3 in the presence of PTX.

Jak2‐STAT3  and  DNMT1  synergistically  regulate TNBC CSCs. Using  siRNAs, we  examined  the  impact of silencing  Jak2, STAT3, and DNMT1, on TNBC CSCs. The silencing  efficiency  in  Hs578t,  MDA‐MB‐231,  and SUM159PT cells was confirmed by detection of DNMT1, Jak2, and STAT3 using western blot assay  (Fig. 6A). As shown in Figure 6B, silencing either of the genes result‐ed  in reduction of the CD44+/CD24‐/low population by 5‐10% in Hs578t and MDA‐MB‐231 cells. The reduction of CSCs was more significant when two of the three genes were  silenced  simultaneously  in Hs578t and MDA‐MB‐231  cells,  resulting  in  an  approximate 15%  to 20%  re‐duction  of  CSCs. However,  the most  significant  reduc‐tion of CSCs was observed when all  three  genes were silenced  simultaneously,  resulting  in  roughly  25‐30% reduction of CSCs  (Fig. 6B). Contrary  to  the aforemen‐tioned  cell  lines,  SUM159PT  cells  showed  a  significant 50%  reduction  of  CSCs  following  silencing  of  a  single gene, with effects enhanced through silencing of Jak2 or STAT3 with DNMT1. However,  in SUM159PT,  the most effective  CSC  reduction  was  achieved  when  all  three genes were  silenced  simultaneously. An MS assay was then performed after silencing each gene using specific siRNA in all three cell lines. Contrary to the FACS analy‐sis of the CD44+/CD24‐/low CSCs, the silencing of DNMT1, Jak2,  or  STAT3  altered MSFE more  dramatically, with roughly  a  30%  to  70%  reduction  of MSFE observed  in MDA‐MB‐231  and  SUM159PT  cells  compared  to  con‐trols (Fig. 6C). In Hs578t cells, STAT3 silencing alone was effective at  inhibiting MSFE by 70%  (Fig. 6C). STAT3 si‐lencing was more  effective  at  reducing MSFE  than  ei‐ther DNMT1 or Jak2  in all three cell  lines. Interestingly, severely  compromised MSFE was  observed when  any two of the three genes were silenced (Fig. 6C). Although there was additional  reduction of MSFE by  three‐gene silencing  compared  to  two‐gene  silencing,  no  signifi‐cance was  found  except  in  SUM159PT  cells  (Fig.  6C). These  results  confirm  that  DNA  methylation  plays  a critical role in maintenance of breast CSCs concomitant‐ly with Jak2‐STAT3 signaling.

CQ  rewrites  DNA  methylation  in  MDA‐MB‐231 Cells.  Changes  in  DNA  methylation  by  MBD‐enriched DNA  from  MDA‐MB‐231  cells  was  analyzed  after  48 hour  CQ  treatment.  Substantial  differences  were  ob‐served  in  the  number  and  make‐up  of  Model‐based analysis  of  ChIP‐seq  (MACS)  defined  MDB‐enriched 

peaks within  the proximal promoter  region  (  ‐5000  to +200) of protein coding genes (Fig 7A). Upon more de‐tailed  differentiation  analysis  of MACS  defined MDB‐enriched peaks between the CQ and control treatments (MAnorm  [28]),  the proximal promoter  regions of 359 genes  uniquely  methylated  in  the  control  treatment compared to CQ and 136 exclusively methylated  in the CQ  treatment were  identified. To assess any biological significance of these genes with affected proximal regu‐latory  regions,  we  conducted  functional  enrichment analysis with GeneCodis3 [29, 30]. Roughly one‐third of the  genes  with  hypomethylated  proximal  promoters following CQ  treatment were allocated  into  four  func‐tional  groups  (p≤9.06e‐06);  protein,  nucleotide,  ATP, and RNA binding  functions  (Figure 7B). The majority of the  genes  with  hypermethylated  proximal  promoter regions  in  the  CQ  treatment  group were  predicted  to have binding  functions  to zinc  ion, protein, nucleotide, beta‐catenin,  metal  ion,  and  single‐stranded  RNA (p≤7.83e‐05) (Fig. 7C). Enriched genes are listed in Sup‐plementary Table S2 and S3. Additionally, the uniquely methylated  genes  in  controls  were  enriched  only  for one KEGG enriched pathway, protein processing  in en‐doplasmic  reticulum  (p<0.0002),  while  genes  for  CQ were enriched for pathways in cancer (p=4.43e‐06) and the Wnt  signaling  pathway  (p<0.0003)  (Fig.  7D).  Thus, these  results  suggest  that CQ  can  regulate CSCs by af‐fecting multiple signaling pathways through DNA meth‐ylation  via  down‐regulation  of  DNMT1,  and  through inhibition of  the PI3K/Akt/mTOR and  Jak2‐STAT3 path‐ways (Fig. 7E).

DISCUSSION

Chloroquine, an autophagy  inhibitor, was named as 

a  potential  repositioned  drug  candidate  for  treatment against CSCs  through  in silico network analysis of gene signatures  specific  for  drug  resistant  CD44+/CD24‐/low cells derived from patient biopsies. Based on our obser‐vation  of  CSC  enrichment  following  chemotherapy  [4, 31],  autophagy  was  hypothesized  as  an  underlying mechanism to maintain viable CSC populations in TNBC. This is further supported by previous studies, suggesting autophagy as a key regulator of breast CSCs [11, 12]. To this end, we demonstrated  the anti‐CSC activity of CQ through the reduction of MSFE and the CD44+/CD24‐/low CSCs.  This  reduction  of  CSCs  correlates well with  the inhibition  of  PTX‐induced 

autophagy  and  with  increases  in  apoptosis.  As CSCs  have  been  implicated  in metastasis  and  recur‐rence  [22, 32‐34], we  confirmed  the anti‐CSC effects of CQ in vivo through inhibition of tumor growth, pre‐vention of spontaneous lung metastasis, and attenua‐tion  of  tumor  recurrence.  The  enhanced  anti‐tumor effects  were  accompanied  with  suppression  of  CSC enrichment  following PTX  treatment and significantly impaired  tumor  initiation  ability  in  vivo.  More  im‐portantly,  we  found  a  significant  reduction  of 

CD44+/CD24‐/low CSC populations  in patients who un‐derwent clinical trials  involving the combination ther‐apy of CQ with  taxanes. Thus, our data strongly sup‐ports the anti‐CSC activity of CQ against CSCs in TNBC through autophagy inhibition.

The Jak2‐STAT3 pathway was compromised by CQ alone or in combination with PTX. A significant inhibi‐tion of the Jak2 phosphorylation by CQ alone was ob‐served  in all cell  lines examined. We suspect that CQ may  induce  endoplasmic  reticulum  (ER)  stress which 

Page 7: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

mediate  inhibition of  Jak2 phopsphorylation  through inhibition  of  autophagy,  down‐regulation  of  the PI3K/Akt/mTOR pathway, and hypomethylation of ER stress  related genes  in MDA‐MB‐231 cells. Kimura et al.  [35], and Um et al  [36]. reported similar ER stress mediated inhibition of Jak2‐STAT3 pathway. However, the  inhibitory effects of CQ on Jak2‐STAT3 were most profound  following  combination  therapy,  as  demon‐strated by a decrease  in phosphorylation and expres‐sion of  Jak2  in all cell  lines examined. Moreover,  the inhibitory effect on  Jak2 expression was CSC‐specific. These results are  in agreement with previous reports on  the  essential  role  of  the  Jak2‐STAT3  signaling pathway for growth and maintenance of CD44+/CD24‐/low breast CSCs  [5, 23]. Additionally,  the decrease  in Jak2  was  accompanied  with  a  reduction  of  DNMT1 expression  that  correlated well with  the  global DNA hypomethylation  in  CSCs.  Similar  to  Jak2‐STAT3, DNMT1  is an  important gene expression  regulator  in normal  stem  cells  as well as CSCs  [37, 38].  In  leuke‐mia, haploinsufficiency of DNMT1  is known to  impair leukemogenesis  and  self‐renewal  of  leukemia  stem cells  [39]. Furthermore,  the epigenetic  role of STAT3 has been described for inhibition of tumor suppressor genes through interaction with DNMT1 [40, 41]. Thus, our  findings  suggest  that CQ  regulates CSCs  through epigenetic  regulation  in  addition  to  the  inhibition  of autophagy.

SOCS1 and SOCS3 have been identified as versatile negative  regulators of  the  Jak2‐STAT3 signaling path‐way [42‐44]. Along with down‐regulation of Jak2, the combination  treatment  induced expression of SOCS1 and SOCS3, as well as  interaction of SOCS3 with  Jak2 in  CSCs.  Additionally,  SOCS1  and  SOCS3  expression was  inversely  proportional  to  the  expression  of DNMT1, while  the  opposite was  observed  following PTX treatment alone. SOCS1 and SOCS3 are known to 

interact with Jak2 and  induce  its degradation [24, 25, 42‐44]. Moreover, the expression of SOCS1 and SOCS3 are  tightly  regulated by DNA methylation  26,  27. Thus, we believe that CQ regulates the Jak2/STAT3 signaling pathway  in CSCs  through deregulation of DNA meth‐ylation mediated by  loss of DNMT1 expression.  In or‐der to determine whether Jak2, STAT3, or DNMT1 was critical for CSC maintenance, sequential gene silencing was  performed  for  all  the  three  genes. Our  findings indicate  that  simultaneous  silencing  of  Jak2,  STAT3, and  DNMT  was  most  effective  in  reducing CD44+/CD24‐/low  CSCs  and  significantly  imapred  the sphere  forming  ability.  This  study  defines  a  possible mechanism of CQ for inhibition of CSCs through regu‐lation  of  the  Jak2/STAT3  and  DNA  methylation through DNMT1.

In summary, this  is the first study that  identifies a CQ‐mediated decrease  in CD44+/CD24–/low CSC due to inhibition  of  the  Jak2‐STAT3  signaling  pathway through  expression  of  SOCS1  and  SOCS3,  which  in turn  deregulates  Jak2  expression.  Moreover,  this  is the  first  study  to  demonstrate  that  inhibition  of  the Jak2‐STAT3  pathway  is  associated  with  down‐regulation  of  DNMT1  and  subsequent  global  DNA hypomethylation. More importantly, these pre‐clinical findings  are  reflected  in  a  currently  ongoing  clinical trial  involving  CQ‐PTX  treatment,  where  significant reduction  in  CD44+/CD24‐/low  populations  has  been observed. Herein, we  report that CQ  reduces CSCs  in TNBC by altering the Jak2‐STAT3 pathway and DNMT1 expression in addition to autophagy inhibition. Subse‐quent analysis of CQ‐mediated changes in epigenome and gene expression in combination with other epige‐netic  inhibitors, such as HDAC  inhibitors, may enable refinements in strategies targeting TNBC CSC subpop‐ulations

Page 8: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

ACKNOWLEDGMENT

This  work  was  supported  by  NIH/NCI  grants  R01 

CA138197,  U54  CA149196,  Golfers  against  Cancer, Breast Cancer Research Foundation, Causes  for a Cure, Team Tiara, Emily W. Herrman Cancer Research Labora‐tory, and Komen  for Cure KG 081694. We declare  that none of the authors have any  financial  interest related to this work.

AUTHOR CONTRIBUTIONS

D.S.C.: and E.B.: study conception, design, collection, 

assembly,  analysis,  interpretation  of  data,  and manu‐script  writing.Y.‐S.K.  collection  and/or  assembly,  and 

analysis of data and manuscript writing.; A.A.R.: provi‐sion of study material and patients; H.Z.: assembly and analysis of data and manuscript writing; T.H.‐M. H. and C.‐L.C.: collection of sequencing data; G.J.: assembly of data; M.L.:  data  analysis  and  interpretation  of  clinical data; L.A.B., Q., W., and H.H.W.: collection and assem‐bly of data; B.D.: data analysis; M.F. and S.T.C.W.: ad‐ministrative  support  and  final  approval of manuscript; J.C.:  data  analysis  and  interpretation  of  data,  manu‐script writing, financial support, administrative support, final approval of manuscript.

DISCLOSURE OF POTENTIAL CONFLICT OF INTEREST:

The authors declare no potential  conflicts of  inter‐

est.

REFERENCES 1 Foulkes WD, Smith IE, Reis‐Filho JS. Triple‐

negative  breast  cancer.  The  New  England journal of medicine. 2010;363:1938‐1948. 2  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. 3  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.  Human  pa‐thology. 2012. 4 Creighton CJ, Li X, Landis M, et al. Residu‐

al  breast  cancers  after  conventional  therapy display  mesenchymal  as  well  as  tumor‐initiating features. Proceedings of the Nation‐al Academy of  Sciences of  the United  States of America. 2009;106:13820‐13825. 5 Marotta LL, Almendro V, Marusyk A, et al. 

The JAK2/STAT3 signaling pathway is required for  growth  of  CD44(+)CD24(‐)  stem  cell‐like breast  cancer  cells  in  human  tumors.  The Journal  of  clinical  investigation. 2011;121:2723‐2735. 6 Gupta PB, Onder TT, Jiang G, et al. Identi‐

fication of selective  inhibitors of cancer stem cells  by  high‐throughput  screening.  Cell. 2009;138:645‐659. 7 Janku F, McConkey DJ, Hong DS, et al. Au‐

tophagy  as  a  target  for  anticancer  therapy. Nature reviews. 2011;8:528‐539. 8  Kenific  CM,  Thorburn  A, Debnath  J.  Au‐

tophagy  and  metastasis:  another  double‐edged sword. Current opinion  in cell biology. 2010;22:241‐245. 9 Martinez‐Outschoorn UE, Lin Z, Ko YH, et 

al. Understanding the metabolic basis of drug resistance:  therapeutic  induction of  the War‐burg  effect  kills  cancer  cells.  Cell  cycle (Georgetown, Tex. 2011;10:2521‐2528. 10 Sanchez CG, Penfornis P, Oskowitz AZ, et 

al.  Activation  of  autophagy  in mesenchymal stem  cells  provides  tumor  stromal  support. Carcinogenesis. 2011;32:964‐972. 11  Cufi  S,  Vazquez‐Martin  A,  Oliveras‐

Ferraros  C,  et  al. Autophagy  positively  regu‐lates  the  CD44(+)  CD24(‐/low)  breast  cancer 

stem‐like phenotype. Cell cycle (Georgetown, Tex. 2011;10:3871‐3885. 12 Gong C, Bauvy C, Tonelli G, et al. Beclin 1 

and  autophagy  are  required  for  the tumorigenicity  of  breast  cancer  stem‐like/progenitor cells. Oncogene. 2012. 13 Sotelo J, Briceno E, Lopez‐Gonzalez MA. 

Adding  chloroquine  to  conventional  treat‐ment for glioblastoma multiforme: a random‐ized,  double‐blind,  placebo‐controlled  trial. Annals  of  internal  medicine.  2006;144:337‐343. 14 Bellodi C,  Lidonnici MR, Hamilton A,  et 

al.  Targeting  autophagy  potentiates  tyrosine kinase  inhibitor‐induced  cell  death  in  Phila‐delphia  chromosome‐positive  cells,  including primary CML stem cells. The Journal of clinical investigation. 2009;119:1109‐1123. 15 Jin G, Fu C, Zhao H, et al. A novel meth‐

od  of  transcriptional  response  analysis  to facilitate drug repositioning  for cancer thera‐py. Cancer Res. 2012;72:33‐44. 16 Zhao H, Jin G, Cui K, et al. Novel model‐

ing of cancer cell  signaling pathways enables systematic  drug  repositioning  for  distinct breast  cancer  metastases.  Cancer  research. 2013;73:6149‐6163. 17  Schott  AF,  Landis MD,  Dontu  G,  et  al. 

Preclinical  and  clinical  studies  of  gamma secretase inhibitors with docetaxel on human breast  tumors.  Clin  Cancer  Res. 2013;19:1512‐1524. 18  Kim  JH,  Choi  DS,  Lee  OH,  et  al. 

Antiangiogenic antitumor activities of IGFBP‐3 are  mediated  by  IGF‐independent  suppres‐sion of Erk1/2 activation and Egr‐1‐mediated transcriptional events. Blood. 2011;118:2622‐2631. 19  Rozen  S,  Skaletsky  H.  Primer3  on  the 

WWW  for  general  users  and  for  biologist programmers. Methods  in molecular  biology (Clifton, N.J. 2000;132:365‐386. 20  Langmead  B,  Trapnell  C,  Pop M,  et  al. 

Ultrafast  and memory‐efficient  alignment  of short DNA sequences to the human genome. Genome biology. 2009;10:R25. 21  Feng  J,  Liu  T,  Qin  B,  et  al.  Identifying 

ChIP‐seq  enrichment  using  MACS.  Nature protocols. 2012;7:1728‐1740. 22 Charafe‐Jauffret E, Ginestier C,  Iovino F, 

et  al.  Breast  cancer  cell  lines  contain  func‐

tional  cancer  stem  cells  with metastatic  ca‐pacity  and  a  distinct  molecular  signature. Cancer research. 2009;69:1302‐1313. 23 Zhou J, Wulfkuhle J, Zhang H, et al. Acti‐

vation of  the PTEN/mTOR/STAT3 pathway  in breast  cancer  stem‐like  cells  is  required  for viability and maintenance. Proceedings of the National Academy  of  Sciences  of  the United States of America. 2007;104:16158‐16163. 24 Ungureanu D, Saharinen P,  Junttila  I, et 

al. Regulation of  Jak2  through  the  ubiquitin‐proteasome  pathway  involves  phosphoryla‐tion  of  Jak2  on  Y1007  and  interaction  with SOCS‐1.  Molecular  and  cellular  biology. 2002;22:3316‐3326. 25 Kershaw NJ, Murphy  JM, Liau NP, et al. 

SOCS3 binds  specific  receptor‐JAK complexes to control cytokine  signaling by direct kinase inhibition.  Nature  structural  &  molecular biology. 2012. 26 Yoshikawa H, Matsubara K, Qian GS, et 

al.  SOCS‐1,  a  negative  regulator  of  the JAK/STAT pathway, is silenced by methylation in  human  hepatocellular  carcinoma  and shows  growth‐suppression  activity.  Nature genetics. 2001;28:29‐35. 27 He B, You L, Uematsu K, et al. SOCS‐3 is 

frequently  silenced by hypermethylation and suppresses cell growth in human lung cancer. Proceedings  of  the  National  Academy  of Sciences  of  the  United  States  of  America. 2003;100:14133‐14138. 28  Shao  Z,  Zhang  Y,  Yuan  GC,  et  al. 

MAnorm:  a  robust  model  for  quantitative comparison  of  ChIP‐Seq  data  sets.  Genome biology. 2012;13:R16. 29  Tabas‐Madrid  D,  Nogales‐Cadenas  R, 

Pascual‐Montano  A.  GeneCodis3:  a  non‐redundant  and modular  enrichment  analysis tool  for  functional  genomics.  Nucleic  acids research. 2012;40:W478‐483. 30  Nogales‐Cadenas  R,  Carmona‐Saez  P, 

Vazquez  M,  et  al.  GeneCodis:  interpreting gene  lists  through  enrichment  analysis  and integration of  diverse  biological  information. Nucleic acids research. 2009;37:W317‐322. 31  Li X,  Lewis MT, Huang  J,  et  al.  Intrinsic 

resistance of  tumorigenic breast  cancer  cells to  chemotherapy.  Journal  of  the  National Cancer Institute. 2008;100:672‐679.

Page 9: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

32 Sheridan C, Kishimoto H, Fuchs RK, et al. CD44+/CD24‐  breast  cancer  cells  exhibit  en‐hanced  invasive  properties:  an  early  step necessary  for metastasis. Breast Cancer Res. 2006;8:R59. 33 Liu H, Patel MR, Prescher JA, et al. Can‐

cer stem cells from human breast tumors are involved  in  spontaneous  metastases  in orthotopic mouse models. Proceedings of the National Academy  of  Sciences  of  the United States of America. 2010;107:18115‐18120. 34 Merlos‐Suarez A, Barriga FM, Jung P, et 

al. The intestinal stem cell signature identifies colorectal  cancer  stem  cells  and  predicts disease relapse. Cell stem cell.8:511‐524. 35 Kimura K, Yamada T, Matsumoto M, et 

al.  Endoplasmic  reticulum  stress  inhibits STAT3‐dependent  suppression  of  hepatic gluconeogenesis  via  dephosphorylation  and deacetylation. Diabetes. 2011;61:61‐73. 36 Um HJ, Min KJ, Kim DE, et al. Withaferin 

A  inhibits  JAK/STAT3  signaling  and  induces apoptosis  of  human  renal  carcinoma  Caki 

cells.  Biochemical  and  biophysical  research communications. 2012;427:24‐29. 37 Gereige LM, Mikkola HK. DNA methyla‐

tion  is  a  guardian  of  stem  cell  self‐renewal and  multipotency.  Nature  genetics. 2009;41:1164‐1166. 38 Mathews  LA,  Crea  F,  Farrar WL.  Epige‐

netic gene regulation  in stem cells and corre‐lation  to  cancer.  Differentiation;  research  in biological diversity. 2009;78:1‐17. 39  Trowbridge  JJ,  Sinha  AU,  Zhu  N,  et  al. 

Haploinsufficiency of Dnmt1 impairs leukemia stem  cell  function  through  derepression  of bivalent  chromatin domains. Genes & devel‐opment. 2012;26:344‐349. 40  Lee  H,  Zhang  P,  Herrmann  A,  et  al. 

Acetylated STAT3 is crucial for methylation of tumor‐suppressor gene promoters and inhibi‐tion  by  resveratrol  results  in  demethylation. Proceedings  of  the  National  Academy  of Sciences  of  the  United  States  of  America. 2012;109:7765‐7769. 41  Zhang  Q,  Wang  HY,  Marzec  M,  et  al. 

STAT3‐  and  DNA  methyltransferase  1‐

mediated  epigenetic  silencing of  SHP‐1  tyro‐sine  phosphatase  tumor  suppressor  gene  in malignant T  lymphocytes. Proceedings of  the National Academy  of  Sciences  of  the United States of America. 2005;102:6948‐6953. 42 Alexander WS, Starr R, Metcalf D, et al. 

Suppressors  of  cytokine  signaling  (SOCS): negative  regulators  of  signal  transduction. Journal  of  leukocyte  biology.  1999;66:588‐592. 43  Elliott  J,  Johnston  JA.  SOCS:  role  in  in‐

flammation, allergy and homeostasis. Trends in immunology. 2004;25:434‐440. 44  Babon  JJ,  Nicola  NA.  The  biology  and 

mechanism  of  action  of  suppressor  of  cyto‐kine  signaling  3. Growth  factors  (Chur,  Swit‐zerland). 2012;30:207‐219. 45 Hu Y, Smyth GK. ELDA: extreme  limiting 

dilution analysis  for  comparing depleted and enriched  populations  in  stem  cell  and  other assays.  Journal  of  immunological  methods. 2009;347:70‐78.

See www.StemCells.com for supporting information available online. STEM 

CELLS; 00:000–000

Page 10: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

10

Figure 1. Chloroquine targets breast CSCs of TNBC. (A). Twenty‐one FDA‐approved drug targets on 7 signaling nodes in the network signaling pathway for CD44+/CD24‐/low tumor cells. Circles denote gene nodes, yellow links are protein‐protein interactions, grey squares are drugs, and grey links are drug‐target interactions. The color of every gene node is determined by a statistical score, i.e. ‐log(P‐value), where P‐value is the student’s t test statistical value considering all of the probes’ value for the gene in the groups. The data scale is between 0 and 8. 0 is for no‐color and 8 for dark red circle. A node  in a blue rectangle  is enlarged for better view. The red oval circle  indicates chloroquine. The en‐larged whole network is also presented in Supplementary Figure S1A. (B) CQ reduced primary MSFE of Hs578t, MDA‐MB‐231, and HCC1937 TNBCs and  the  secondary MSFE  in MDA‐MB‐231 and SUM159PT cells  in a dose‐dependent manner. (C) CQ reduced the CD44+/CD24‐/low CSC population alone or in combination with PTX. CQ1 and CQ5 indicates CQ at 1 µM or at 5 µM, respectively, while CQ1‐PTX or CQ5‐PTX  indicates treatment with CQ at the corresponding doses  in combination with PTX (5 nM). Groups treated with CQ alone were compared to control (B and C), and the combination  treatment groups were compared  to  the PTX alone group  (C). Con: control  (DMSO), CQ: chloroquine, PTX: paclitaxel (in DMSO), and CQ‐PTX: combination of chloroquine and paclitaxel. One‐way ANOVA (Tukey) was used for  statistical  analysis.  This  figure  represents  the mean difference  in  suppression of MSFE or CD44+/CD24‐/low CSC population  with  standard  deviation.  Asterisk  indicates  p<0.05.  (D)  CQ  and  PTX  combination  treatment  reduced CD44+/CD24‐/low CSCs in patients with drug resistant recurrent tumors. Pre indicates pre‐treatment and post indicates post‐treatment. The MS assay and FACS analysis for the CSCs were repeated at least three times with similar results. Representative results are shown. 

Page 11: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

11

 

Page 12: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

12

Figure  2.  CQ  inhibits  PTX‐induced  autophagy  and  sensitizes  TNBC  cell  lines  to  PTX.  (A)  TEM  images  of autophagosomes in Hs578t cells after 48 hours treatment with Con (DMSO), CQ (1 µM), PTX (5 nM) or combination of CQ and PTX. Solid black arrows indicate autophagosomes. The TEM experiment was performed once and the repre‐sentative images are shown here. The black bars are 2 µm in length. (B) Western blotting results for p62, LC3B, and cleaved caspase 3 from lysates of Hs578t, MDA‐MB‐231, and SUM159PT cells after 48‐hour treatments as indicated. We confirmed similar effects of CQ in independently repeated experiments. CQ attenuated (C) growth of orthotopic MDA‐MB‐231 G/L tumors and (D) inhibited spontaneous lung metastasis of the tumors; Con: PBS and CQ: 10 mg/kg i.p. daily (n=10 per group). Total photon counts were normalized by setting the minimum at 3.50 x 105 and the maxi‐mum at 1.05 x 108 (p/sec/cm^2/sr) and transformed by  log10 to analyze the effects of CQ on metastasis and tumor burden  in  lungs. Two‐tailed Student’s  t‐test was used  for  the  statistical comparison.  (E) CQ‐PTX attenuated  tumor recurrence  (MDA‐MB‐231 G/L) compared to PTX aline.  (F) The CQ‐PTX combination therapy reduced the growth of orthotopic SUM159PT tumors (n=10). All mice received the scheduled dose of each drug as indicated in the Materials and Methods. Two‐way ANOVA  (Boneferroni post‐tests) was used  to compare  tumor volumes  in all animal experi‐ments (C, E, and F). All control groups received PBS as the vehicle (*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001). 

Page 13: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

13

Page 14: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

14

Figure  3.  CQ  reduces  the  CSC  population  in  vivo.  (A)  and  (B)  Effects  of  short‐term  treatments  on  the  growth  of orthotopic MDA‐MB‐231 and  SUM159PT  tumors  in athymic nude mice. Two‐Way ANOVA  (Boneferroni post‐tests) was used for statistical analysis. CQ prevented PTX induced CSC enrichment as indicated by Aldefluore + population in MDA‐MB‐231  tumors  (C)  and  the  CD44+/CD24

‐/low  population  in  SUM159PT  tumors  (D).  CQ  reduced  the MSFE  of MDA‐MB‐231 (E) and SUM159PT tumors (F). MS indicates mammosphere formation assay. One‐Way ANOVA (Tukey) was used for statistical analysis. (G) Limiting dilution assay for testing the tumor  initiation ability  in Scid‐beige mice bearing MDA‐MB‐231 tumors received with short term treatments (n=8 per group); 75k: 75,000, 25k: 25,000, and 5k: 5,000 tumor cells. (H) A pairwise comparison for CSC frequencies. P value indicates the significance of the difference on the CSC frequency of the compared two groups. For the statistical analysis, Extreme limiting dilution analysis [45] was used. Con (PBS), CQ (10mg/kg, ip daily), PTX (15mg/kg, twice per week, ip), CQ‐PTX, the combination. (*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001). 

Page 15: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

15

Page 16: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

16

Figure 4. CQ  regulates  the  Jak2‐STAT3 pathway  in CSCs.  (A) Results of western blot assays  for pSTAT3‐705, STAT3, pJak2, Jak2, and Actin on lysates of Hs578t, MDA‐MB‐231, and SUM159PT cells treated for 48 hours with a 4‐treatmet regimen; DMSO (Con) or CQ (1µ), PTX (5nM) in DMSO, or the combination. (B) Western blot analysis for the detection of pSTAT3‐705, pSTAT3‐727, STAT3, pJak2, Jak2, and Actin on  lysates of sorted CD44+/CD24‐/low CSCs or non‐CSCs of SUM159PT cells. These cells were incubated in MC+ containing 2% FBS and treated with the 4‐treatmet regimen for 48 hours. (C) Western blot analysis of SOCS1 and SOCS3 expression in SUM159PT CSCs after treatment of PTX or CQ‐PTX for 24, 36, and 48 hours. (D) Immunoprecipitation of SOCS3 with Jak2 in SUM159PT CSCs treated with PTX (5 nM) or CQ (1 µM)‐PTX (5 nM). Western blot for SOCS3 and Jak2 are shown. Normal IgG showed no non‐specific bands at the expected molecular size (data not shown). (E) Confocal microscope images of SOCS3 co‐localization with Jak2  in SUM159PT CSCs treated with PTX or CQ‐PTX for 48 hours. Jak2 (red) and SOCS3 (green). Hoechst 33342 (100 ng/ml) stains for the nucleus. Co‐localization of SOCS3 and Jak2 is depicted in the separate black‐white cell images in which the white dots indicate the co‐localization. All images were taken using an Olympus FV1000 confocal microscope with a 100x objective  lens  and 2.5x optical  zoom.  The white bars  indicated  10µm  in  length.  (F) Western blot  assay of pSTAT3‐705, STAT3, pJak2, Jak2, SOCS3, and Actin on lysates of SUM159PT CSCs in which SOCS3 was silenced prior to the 48  treatment with CQ‐PTX. siRNA‐Scr:  siRNA with  scrambled RNA  sequences,  siRNAi‐SOCS3:  siRNA with SOCS3 targeting RNA sequences. These are representative results of independent duplicate or triplicate experiments. 

Page 17: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

17

Page 18: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

18

Figure 5. CQ induced DNA hypomethylation by reducing DNMT1 expression. (A) Western blot analysis of DNMT1 from extracts of Hs578t, MDA‐MB‐231, and SUM159PT cells, and (B) extracts of CSCs or non‐CSCs of SUM159PT and CSCs of HCC1937 and HCC38 cells. All cells were treated for 48 hours with the 4‐treatment regimen; DMSO (Con) or CQ (1 µM), PTX (5 nM) in DMSO, or the combination. (C) Measurement of global DNA methylation using genomic DNA ex‐tracted  from  Hs578t  and MDA‐MB‐231  cells  and  DNA  from  SUM159PT  CSCs.  All  cells were  treated with  the  4‐treatment  regimen. One‐way ANOVA  (Tukey) was used  for  statistical analysis.  (D) Western blot assay  for DNMT1, SOCS1 and SOCS3, and Actin after silencing DNMT1  in PTX  treated SUM159PT CSCs  for 30 hours.  (E) Expression of SOCS1 or SOCS3 transcripts  in SUM159PT CSCs treated with either PTX (5 nM) or CQ (1 µM) and PTX (5 nM) for 48 hours. Student’s t‐test was used for statistical analysis. (F) Images of DNA gel electrophoresis of SOCS3 promoter PCR to confirm CQ‐induced DNA hypomethylation. SUM159PT CSCs were treated with either PTX or CQ‐PTX for 48 hours before DNA extraction. Primer indicates the corresponding primer sets for PCR. Input indicates PCR reactions with the sonicated genomic DNA. N‐IgG is the commercially available mouse normal IgG used for MeIP as a negative control. 5‐mC Ab  is the monoclonol antibody recognizing 5‐methycytosine of DNA for MeDIP. The black arrow  indicates the expected PCR products.  Images were cropped  from the original  found  in Supplementary Figure S8. All experiments were  repeated at  least 2 or 3  times with  similar  results, and  the  representative  results were presented.  (*p<0.05, **p<0.02, ***p<0.0001) 

Page 19: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

19

Page 20: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

20

Figure 6. Both DNMT1 and the Jak2‐STAT3 pathway are critical  for CSCs of TNBC. (A) Confirmation by western blot analysis in Hs578t, MDA‐MB‐231, and SUM159PT cells for DNMT1, Jak2, STAT3. GAPDH indicates the loading control. (B) FACS analysis of CD44+/CD24‐/low CSCs after silencing using the  indicated single or combination of corresponding RNAi. (C) Impact of gene silencing on MSFE. D indicates silencing of DNMT1, J for Jak2, S for STAT3, D/J for the silenc‐ing of DNMT1 and  Jak2, D/S  for DNMT1 and STAT3,  J/S  for  Jak2 and STAT3, and D/J/S  for the silencing of DNMT1, Jak2, and STAT3. Scr indicates RNAi of scrambled sequences and serves as control. One‐Way ANOVA (Tukey) was used for statistical analysis. All experiments were repeated three times with similar results. The representative results are presented. (*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001). 

Page 21: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

21

Page 22: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

22

Figure 7. CQ  induces hypomethylation and resets the DNA methylome. (A) A heatmap showing unique methylation status of the proximal promoter region (‐5000 to +200) of protein coding genes in MDA‐MB‐231 cells treated for 48 hours with PBS (Con) or chloroquine (CQ, 1 µM). The numbers on the left of the heatmap indicate the total number of genes with  the  uniquely methylated  promoters. Methylation  degree  increases  from  blue  to  yellow  (log10  trans‐formed  tag  counts).  (B) and  (C)  Schematic diagrams  illustrating  results of  the  functional enrichment analysis with GeneCodis for the identified genes. The p values for the functional enrichment test were (B) p ≤ 9.06 x 10‐6 and (C) p ≤ 7.83 x 10‐5. (D) KEGG enriched pathway of genes that are hyper‐ or hypo‐methylated by CQ in MDA‐MB‐231 cells. (E) A schematic diagram illustrating how CQ can affect TNBC CSCs. Red indicates inhibition and blue activation. The red dotted line indicates possible inhibition and the blue dotted line represents activation through DNA methylation.

Page 23: Chloroquine Eliminates Cancer Stem Cells Through Deregulation of Jak2 and DNMT1

Chloroquine inhibits DNMT1 and Jak2 in CSC. 

www.StemCells.com  ©AlphaMed Press 2014 

23