The combination of irradiated fibroblast feeder cells and Rho kinase inhibitor, Y-27632, conditionally induces an indefinite proliferative state in primary mammalian epithelial cells. These conditionally reprogrammed cells (CRCs) are karyotype-stable and nontumorigenic. Because self-renewal is a recognized property of stem cells, we investigated whether Y-27632 and feeder cells induced a stem-like phenotype. We found that CRCs share characteristics of adult stem cells and exhibit up-regulated expression of α6 and β1 integrins, ΔNp63α, CD44, and telomerase reverse transcriptase, as well as decreased Notch signaling and an increased level of nuclear β-catenin. The induction of CRCs is rapid (occurs within 2 d) and results from reprogramming of the entire cell population rather than the selection of a minor subpopulation. CRCs do not overexpress the transcription factor sets characteristic of embryonic or induced pluripotent stem cells (e.g., Sox2, Oct4, Nanog, or Klf4). The induction of CRCs is also reversible, and removal of Y-27632 and feeders allows the cells to differentiate normally. Thus, when CRCs from ectocervical epithelium or tracheal epithelium are placed in an air–liquid interface culture system, the cervical cells form a well differentiated stratified squamous epithelium, whereas the tracheal cells form a ciliated airway epithelium. We discuss the diagnostic and therapeutic opportunities afforded by a method that can generate adult stem-like cells in vitro without genetic manipulation.

Most cancers are diagnosed in persons over the age of sixty, but little is known about how age impacts tumorigenesis. While aging is accompanied by mutation accumulation - widely understood to contribute to cancer risk - it is also associated with numerous other cellular and molecular changes likely to impact tumorigenesis. Moreover, cancer incidence decreases in the oldest part of the population, suggesting that very old age may reduce carcinogenesis. Here we show that aging represses tumor initiation and growth in genetically engineered mouse models of human lung cancer. Moreover, aging dampens the impact of inactivating many, but not all, tumor suppressor genes with the impact of inactivating PTEN, a negative regulator of the PI3K/AKT pathway, weakened to a disproportionate extent. Single-cell transcriptomic analysis revealed that neoplastic cells from tumors in old mice retain many age-related transcriptomic changes, showing that age has an enduring impact that persists through oncogenic transformation. Furthermore, the consequences of PTEN inactivation were strikingly age-dependent, with PTEN deficiency reducing signatures of aging in cancer cells and the tumor microenvironment. Our findings suggest that the relationship between age and lung cancer incidence may reflect an integration of the competing effects of driver mutation accumulation and tumor suppressive effects of aging.

Lung adenocarcinoma, the most common subtype of lung cancer, is genomically complex, with tumors containing tens to hundreds of non-synonymous mutations. However, little is understood about how genes interact with each other to enable tumorigenesis

ABSTRACT Oncogenic KRAS mutations occur in approximately 30% of lung adenocarcinoma. Despite several decades of effort, oncogenic KRAS-driven lung cancer remains difficult to treat, and our understanding of the positive and negative regulators of RAS signaling is incomplete. To uncover the functional impact of diverse KRAS-interacting proteins on lung cancer growth in vivo , we used multiplexed somatic CRISPR/Cas9-based genome editing in genetically engineered mouse models with tumor barcoding and high-throughput barcode sequencing. Through a series of CRISPR/Cas9 screens in autochthonous lung tumors, we identified HRAS and NRAS as key suppressors of KRAS G12D -driven tumor growth in vivo and confirmed these effects in oncogenic KRAS-driven human lung cancer cell lines. Mechanistically, RAS paralogs interact with oncogenic KRAS, suppress KRAS-KRAS interactions, and reduce downstream ERK signaling. HRAS mutations identified in KRAS-driven human tumors partially abolished this effect. Comparison of the tumor-suppressive effects of HRAS and NRAS in KRAS- and BRAF-driven lung cancer models confirmed that RAS paralogs are specific suppressors of oncogenic KRAS-driven lung cancer in vivo . Our study outlines a technological avenue to uncover positive and negative regulators of oncogenic KRAS-driven cancer in a multiplexed manner in vivo and highlights the role of RAS paralog imbalance in oncogenic KRAS-driven lung cancer.

Somatic genome editing in mouse models has increased our understanding of the in vivo effects of genetic alterations in areas ranging from neuroscience to cancer biology and beyond. However, existing models have been restricted in their ability to create multiple targeted edits, which has limited investigations into complex genetic interactions that underlie development, homeostasis, and disease. To accelerate and expand the generation of complex genotypes in somatic cells, we generated transgenic mice with Cre-regulated and constitutive expression of enhanced Acidaminococcus sp. Cas12a (enAsCas12a), an RNA-guided endonuclease with unique attributes that enable simple targeting of multiple genes. In these mice, enAsCas12a-mediated somatic genome editing robustly generated compound genotypes, as exemplified by the initiation of oncogene-negative lung adenocarcinoma, small-cell lung cancer, and a canonical genotype of pancreatic ductal adenocarcinoma, all driven by homozygous inactivation of trios of tumor suppressor genes. We further integrated these modular crRNA arrays with clonal barcoding to quantify the size and number of tumors with each array. These Cas12a alleles will enable the rapid generation of disease models and broadly facilitate the high-throughput investigation of coincident genomic alterations in somatic cells in vivo .

ABSTRACT Lung cancer is the leading cause of cancer death worldwide, with lung adenocarcinoma being the most common subtype. Many oncogenes and tumor suppressor genes are altered in this cancer type and the discovery of oncogene mutations has led to the development of targeted therapies that have improved clinical outcomes. However, a large fraction of lung adenocarcinomas lacks mutations in known oncogenes, and the genesis and treatment of these oncogene-negative tumors remain enigmatic. Here, we perform iterative in vivo functional screens using quantitative autochthonous mouse model systems to uncover the genetic and biochemical changes that enable efficient lung tumor initiation in the absence of oncogene alterations. Through the generation of hundreds of diverse combinations of tumor suppressor alterations, we demonstrate that the inactivation of suppressors of the RAS and PI3K pathways drive the development of oncogene-negative lung adenocarcinoma. Human genomic data and histology identified RAS/MAPK and PI3K pathway activation as a common event in oncogene- negative human lung adenocarcinomas. We demonstrate that these Onc-negative RAS/PI3K tumors and related cell lines are vulnerable to pharmacological inhibition of these signaling axes. These results transform our understanding of this prevalent yet understudied subtype of lung adenocarcinoma.

Abstract Epigenetic dysregulation is widespread in cancer. However, the specific epigenetic regulators and the processes they control to drive cancer phenotypes are poorly understood. Here, we employed a novel, scalable and high-throughput in vivo method to perform iterative functional screens of over 250 epigenetic regulatory genes within autochthonous oncogenic KRAS-driven lung tumors. We identified multiple novel epigenetic tumor suppressor and tumor dependency genes. We show that a specific HBO1 complex and the MLL1 complex are among the most impactful tumor suppressive epigenetic regulators in lung. The histone modifications generated by the HBO1 complex are frequently absent or reduced in human lung adenocarcinomas. The HBO1 and MLL1 complexes regulate chromatin accessibility of shared genomic regions, lineage fidelity and the expression of canonical tumor suppressor genes. The HBO1 and MLL1 complexes are epistatic during lung tumorigenesis, and their functional correlation is conserved in human cancer cell lines. Together, these results demonstrate the value of quantitative methods to generate a phenotypic roadmap of epigenetic regulatory genes in tumorigenesis in vivo .

The cohesin complex is a critical regulator of gene expression. STAG2 is the most frequently mutated cohesin subunit across several cancer types and is a key tumor suppressor in lung cancer. Here, we coupled somatic CRISPR-Cas9 genome editing and tumor barcoding with an autochthonous oncogenic KRAS-driven lung cancer model and showed that STAG2 is uniquely tumor-suppressive among all core and auxiliary cohesin components. The heterodimeric complex components PAXIP1 and PAGR1 have highly correlated effects with STAG2 in human lung cancer cell lines, are tumor suppressors in vivo, and are epistatic to STAG2 in oncogenic KRAS-driven lung tumorigenesis in vivo. STAG2 inactivation elicits changes in gene expression, chromatin accessibility, and 3D genome conformation that impact the cancer cell state. Gene expression and chromatin accessibility similarities between STAG2- and PAXIP1-deficient neoplastic cells further relate STAG2-cohesin to PAXIP1/PAGR1. These findings reveal a STAG2-PAXIP1/PAGR1 tumor-suppressive axis and uncover novel PAXIP1-dependent and PAXIP1-independent STAG2-cohesin-mediated mechanisms of lung tumor suppression.