Tumor cell plasticity and heterogeneity are key features underlying disease progression and therapeutic resistance. Recent advances of single-cell RNA_-seq (_scRNA_-seq) technologies have highlighted the co-existence of transcriptionally distinct subpopulations of malignant cells within single tumors of different lineages. Thus, there is now a need to establish frameworks to better understand the biological and clinical relevance of such cellular diversity, as well as its underlying molecular mechanisms. To address this issue, we generated _scRNA_-seq data for 198 cell lines (22 cancer types) and systematically characterized intra-cell line expression heterogeneity. We found that co-existence of highly distinct subpopulations within the same cell line is rare, while continuous patterns of expression heterogeneity, represented by spectra of cellular states are common, recur across different cell lines, are associated with multiple biological process, and are usually independent of genetic diversity. Notably, despite the absence of a native and spatially-variable microenvironment in vitro, many of the continuous programs observed in cell lines recapitulate those found in clinical samples, suggesting a prominent role of intrinsic epigenetic plasticity in generating intratumoral heterogeneity. The data also allowed us to prioritize specific cell lines as model systems of cellular plasticity. As an example, we selected two of such models to demonstrate the temporal dynamics and vulnerabilities associated with a cancer senescence program observed both in cell lines and in human tumors. Additionally, given the means by which malignant cells communicate in the tumor bulk, i.e. physical cell-to-cell interactions and secretion of soluble factors, we also aimed to explore new autocrine/paracrine signaling networks that could be exploited clinically. Melatonin, best known as the "pineal hormone", is a pleiotropic molecule produced by many extrapineal tissues and increasingly recognized as a tumor suppressor agent. Melatonin acts through several biological mechanisms, including direct scavenging of free radicals and activation of high-affinity G-protein coupled receptors (MT1 and MT2). Over the past decade, our group has provided compelling evidences that fine-tuning the extrapineal production of melatonin during acute inflammation is critical for the maintenance of tissue homeostasis. However, our knowledge about the pathophysiological role of local melatonin in malignant processes is very limited. Interestingly, here we demonstrated that the ability of gliomas to synthesize and accumulate melatonin negatively correlates with their overall malignancy. Using gene expression data, we designed a predictive model of the content of melatonin in the tumor microenvironment, the ASMT:CYP1B1 index, which was shown to be a positive prognostic factor, independent of glioma grade and histological subtype. Finally, as we sought to provide further support for the rational use of melatonin and analogous in brain cancer therapy, we demonstrated that in gliomas and medulloblastomas MT1 and MT2 melatonin receptors play opposite roles in disease progression. Remarkably, compounds that simultaneously activate MT1 and inhibit MT2 displayed a robust antitumor effect in vitro and in vivo, highlighting the potential of such receptors as therapeutic targets

A plasticidade e heterogeneidade das células malignas têm papel fundamental sobre a progressão tumoral e o desenvolvimento de resistência terapêutica. Nos últimos anos, com o advento de tecnologias de sequenciamento de células individuais (_scRNA_-seq), estudos com diferentes tipos de câncer revelaram que um único tumor pode conter subpopulações de células malignas com perfis transcricionais distintos. Com isso, tornou-se necessário estabelecer modelos experimentais que permitam o estudo da relevância biológica e clínica dessa diversidade celular, bem como os mecanismos moleculares subjacentes. Nesse sentido, geramos dados de _scRNA_-seq para 198 linhagens celulares (22 tipos de câncer) e caracterizamos sistematicamente a heterogeneidade da expressão gênica. Descobrimos que a coexistência de subpopulações altamente distintas em uma mesma linhagem celular é rara. Por outro lado, padrões contínuos de heterogeneidade de expressão gênica, representados por espectros de estados celulares, são comuns, recorrem em diferentes linhagens, estão associados a múltiplos processos biológicos e são geralmente independentes da diversidade genética. Notavelmente, apesar de condições in vitro não possuírem um microambiente nativo e espacialmente variável, muitos dos padrões contínuos de heterogeneidade observados nas linhagens recapitulam aqueles encontrados em amostras tumorais clínicas, indicando que a plasticidade epigenética intrínseca tem papel fundamental na geração da heterogeneidade intratumoral. Os dados gerados também nos permitiram identificar as linhagens mais adequadas para o estudo da plasticidade celular. Como exemplo, selecionamos duas dessas linhagens modelos e demonstramos a dinâmica temporal e relevância terapêutica de um programa de heterogeneidade recorrente associado à senescência epitelial. Além disso, considerando os meios pelos quais as células malignas se comunicam, isto é, via interações físicas célula-a-célula e secreção de fatores solúveis, também buscamos explorar novas redes de sinalização autócrina/parácrina que possam ser exploradas clinicamente. A melatonina, mais conhecida como "hormônio da pineal", é uma molécula pleiotrópica produzida em diversos tecidos e que vem sendo cada vez mais reconhecida como um agente antitumoral. A melatonina atua por meio de vários mecanismos biológicos, incluindo a eliminação direta de radicais livres e a ativação de receptores de alta afinidade acoplados à proteína G (MT1 e MT2). Na última década, nosso grupo forneceu diversas evidências de que o ajuste fino da produção extrapineal de melatonina durante a inflamação aguda é crítico para a manutenção da homeostase tecidual. Entretanto, nosso conhecimento sobre o papel fisiopatológico da melatonina local em processos malignos é muito limitado. Interessantemente, demonstramos que, em gliomas, a capacidade das células de sintetizar e acumular melatonina correlaciona-se negativamente com o grau malignidade tumoral. Utilizando dados de expressão gênica, desenvolvemos um modelo preditivo do conteúdo de melatonina no microambiente tumoral, o índice ASMT:CYP1B1, o qual se mostrou um fator prognóstico positivo, independente do grau e subtipo histológico dos gliomas. Por fim, buscamos fornecer suporte adicional para o uso racional da melatonina e análogos no tratamento de cânceres cerebrais. Revelamos que em gliomas e meduloblastomas os receptores de melatonina MT1 e MT2 desempenham papéis opostos sobre o controle da progressão tumoral. Notavelmente, compostos que simultaneamente ativam MT1 e inibem MT2 exibiram um efeito antitumoral robusto in vitro e in vivo, destacando o potencial de tais receptores como alvos terapêuticos