Intratumor heterogeneity may foster tumor evolution and adaptation and hinder personalized-medicine strategies that depend on results from single tumor-biopsy samples.

The cellular ancestry of tumor antigens One contributing factor in antitumor immunity is the repertoire of neoantigens created by genetic mutations within tumor cells. Like the corresponding mutations, these neoantigens show intratumoral heterogeneity. Some are present in all tumor cells (clonal), and others are present in only a fraction of cells (subclonal). In a study of lung cancer and melanoma, McGranahan et al. found that a high burden of clonal tumor neoantigens correlated with improved patient survival, an increased presence of tumor-infiltrating lymphocytes, and a durable response to immunotherapy. Science , this issue p. 1463

Among patients with non–small-cell lung cancer (NSCLC), data on intratumor heterogeneity and cancer genome evolution have been limited to small retrospective cohorts. We wanted to prospectively investigate intratumor heterogeneity in relation to clinical outcome and to determine the clonal nature of driver events and evolutionary processes in early-stage NSCLC.

Charles Swanton and colleagues used multiregion exome sequencing to study the evolutionary histories of ten clear cell renal cell carcinomas. They observed marked intratumoral heterogeneity in all cases, with extensive evidence of parallel evolution of tumor subclones and only a small number of truncal driver events. Clear cell renal carcinomas (ccRCCs) can display intratumor heterogeneity (ITH). We applied multiregion exome sequencing (M-seq) to resolve the genetic architecture and evolutionary histories of ten ccRCCs. Ultra-deep sequencing identified ITH in all cases. We found that 73–75% of identified ccRCC driver aberrations were subclonal, confounding estimates of driver mutation prevalence. ITH increased with the number of biopsies analyzed, without evidence of saturation in most tumors. Chromosome 3p loss and VHL aberrations were the only ubiquitous events. The proportion of C>T transitions at CpG sites increased during tumor progression. M-seq permits the temporal resolution of ccRCC evolution and refines mutational signatures occurring during tumor development.

Chromosomal instability is a hallmark of cancer that results from ongoing errors in chromosome segregation during mitosis. Although chromosomal instability is a major driver of tumour evolution, its role in metastasis has not been established. Here we show that chromosomal instability promotes metastasis by sustaining a tumour cell-autonomous response to cytosolic DNA. Errors in chromosome segregation create a preponderance of micronuclei whose rupture spills genomic DNA into the cytosol. This leads to the activation of the cGAS-STING (cyclic GMP-AMP synthase-stimulator of interferon genes) cytosolic DNA-sensing pathway and downstream noncanonical NF-κB signalling. Genetic suppression of chromosomal instability markedly delays metastasis even in highly aneuploid tumour models, whereas continuous chromosome segregation errors promote cellular invasion and metastasis in a STING-dependent manner. By subverting lethal epithelial responses to cytosolic DNA, chromosomally unstable tumour cells co-opt chronic activation of innate immune pathways to spread to distant organs.

Summary

 Immune evasion is a hallmark of cancer. Losing the ability to present neoantigens through human leukocyte antigen (HLA) loss may facilitate immune evasion. However, the polymorphic nature of the locus has precluded accurate HLA copy-number analysis. Here, we present loss of heterozygosity in human leukocyte antigen (LOHHLA), a computational tool to determine HLA allele-specific copy number from sequencing data. Using LOHHLA, we find that HLA LOH occurs in 40% of non-small-cell lung cancers (NSCLCs) and is associated with a high subclonal neoantigen burden, APOBEC-mediated mutagenesis, upregulation of cytolytic activity, and PD-L1 positivity. The focal nature of HLA LOH alterations, their subclonal frequencies, enrichment in metastatic sites, and occurrence as parallel events suggests that HLA LOH is an immune escape mechanism that is subject to strong microenvironmental selection pressures later in tumor evolution. Characterizing HLA LOH with LOHHLA refines neoantigen prediction and may have implications for our understanding of resistance mechanisms and immunotherapeutic approaches targeting neoantigens. 

Video Abstract

Spatial and temporal dissection of the genomic changes occurring during the evolution of human non–small cell lung cancer (NSCLC) may help elucidate the basis for its dismal prognosis. We sequenced 25 spatially distinct regions from seven operable NSCLCs and found evidence of branched evolution, with driver mutations arising before and after subclonal diversification. There was pronounced intratumor heterogeneity in copy number alterations, translocations, and mutations associated with APOBEC cytidine deaminase activity. Despite maintained carcinogen exposure, tumors from smokers showed a relative decrease in smoking-related mutations over time, accompanied by an increase in APOBEC-associated mutations. In tumors from former smokers, genome-doubling occurred within a smoking-signature context before subclonal diversification, which suggested that a long period of tumor latency had preceded clinical detection. The regionally separated driver mutations, coupled with the relentless and heterogeneous nature of the genome instability processes, are likely to confound treatment success in NSCLC.

Analysis of somatic mutations provides insight into the mutational processes that have shaped the cancer genome, but such analysis currently requires large cohorts. We develop deconstructSigs, which allows the identification of mutational signatures within a single tumor sample. Application of deconstructSigs identifies samples with DNA repair deficiencies and reveals distinct and dynamic mutational processes molding the cancer genome in esophageal adenocarcinoma compared to squamous cell carcinomas. deconstructSigs confers the ability to define mutational processes driven by environmental exposures, DNA repair abnormalities, and mutagenic processes in individual tumors with implications for precision cancer medicine.

Background

 Early cancer detection could identify tumors at a time when outcomes are superior and treatment is less morbid. This prospective case-control sub-study (from NCT02889978 and NCT03085888) assessed the performance of targeted methylation analysis of circulating cell-free DNA (cfDNA) to detect and localize multiple cancer types across all stages at high specificity. 

Participants and methods

 The 6689 participants [2482 cancer (>50 cancer types), 4207 non-cancer] were divided into training and validation sets. Plasma cfDNA underwent bisulfite sequencing targeting a panel of >100 000 informative methylation regions. A classifier was developed and validated for cancer detection and tissue of origin (TOO) localization. 

Results

 Performance was consistent in training and validation sets. In validation, specificity was 99.3% [95% confidence interval (CI): 98.3% to 99.8%; 0.7% false-positive rate (FPR)]. Stage I–III sensitivity was 67.3% (CI: 60.7% to 73.3%) in a pre-specified set of 12 cancer types (anus, bladder, colon/rectum, esophagus, head and neck, liver/bile-duct, lung, lymphoma, ovary, pancreas, plasma cell neoplasm, stomach), which account for ∼63% of US cancer deaths annually, and was 43.9% (CI: 39.4% to 48.5%) in all cancer types. Detection increased with increasing stage: in the pre-specified cancer types sensitivity was 39% (CI: 27% to 52%) in stage I, 69% (CI: 56% to 80%) in stage II, 83% (CI: 75% to 90%) in stage III, and 92% (CI: 86% to 96%) in stage IV. In all cancer types sensitivity was 18% (CI: 13% to 25%) in stage I, 43% (CI: 35% to 51%) in stage II, 81% (CI: 73% to 87%) in stage III, and 93% (CI: 87% to 96%) in stage IV. TOO was predicted in 96% of samples with cancer-like signal; of those, the TOO localization was accurate in 93%. 

Conclusions

 cfDNA sequencing leveraging informative methylation patterns detected more than 50 cancer types across stages. Considering the potential value of early detection in deadly malignancies, further evaluation of this test is justified in prospective population-level studies.

Combination immune checkpoint blockade has demonstrated promising benefit in lung cancer, but predictors of response to combination therapy are unknown. Using whole-exome sequencing to examine non-small-cell lung cancer (NSCLC) treated with PD-1 plus CTLA-4 blockade, we found that high tumor mutation burden (TMB) predicted improved objective response, durable benefit, and progression-free survival. TMB was independent of PD-L1 expression and the strongest feature associated with efficacy in multivariable analysis. The low response rate in TMB low NSCLCs demonstrates that combination immunotherapy does not overcome the negative predictive impact of low TMB. This study demonstrates the association between TMB and benefit to combination immunotherapy in NSCLC. TMB should be incorporated in future trials examining PD-(L)1 with CTLA-4 blockade in NSCLC.