Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a highly lethal and treatment-refractory cancer. Molecular stratification in pancreatic cancer remains rudimentary and does not yet inform clinical management or therapeutic development. Here, we construct a high-resolution molecular landscape of the cellular subtypes and spatial communities that compose PDAC using single-nucleus RNA sequencing and whole-transcriptome digital spatial profiling (DSP) of 43 primary PDAC tumor specimens that either received neoadjuvant therapy or were treatment naive. We uncovered recurrent expression programs across malignant cells and fibroblasts, including a newly identified neural-like progenitor malignant cell program that was enriched after chemotherapy and radiotherapy and associated with poor prognosis in independent cohorts. Integrating spatial and cellular profiles revealed three multicellular communities with distinct contributions from malignant, fibroblast and immune subtypes: classical, squamoid-basaloid and treatment enriched. Our refined molecular and cellular taxonomy can provide a framework for stratification in clinical trials and serve as a roadmap for therapeutic targeting of specific cellular phenotypes and multicellular interactions.

Immunosurveillance of cancer requires the presentation of peptide antigens on major histocompatibility complex class I (MHC-I) molecules1–5. Current approaches to profiling of MHC-I-associated peptides, collectively known as the immunopeptidome, are limited to in vitro investigation or bulk tumour lysates, which limits our understanding of cancer-specific patterns of antigen presentation in vivo6. To overcome these limitations, we engineered an inducible affinity tag into the mouse MHC-I gene (H2-K1) and targeted this allele to the KrasLSL-G12D/+Trp53fl/fl mouse model (KP/KbStrep)7. This approach enabled us to precisely isolate MHC-I peptides from autochthonous pancreatic ductal adenocarcinoma and from lung adenocarcinoma (LUAD) in vivo. In addition, we profiled the LUAD immunopeptidome from the alveolar type 2 cell of origin up to late-stage disease. Differential peptide presentation in LUAD was not predictable by mRNA expression or translation efficiency and is probably driven by post-translational mechanisms. Vaccination with peptides presented by LUAD in vivo induced CD8+ T cell responses in naive mice and tumour-bearing mice. Many peptides specific to LUAD, including immunogenic peptides, exhibited minimal expression of the cognate mRNA, which prompts the reconsideration of antigen prediction pipelines that triage peptides according to transcript abundance8. Beyond cancer, the KbStrep allele is compatible with other Cre-driver lines to explore antigen presentation in vivo in the pursuit of understanding basic immunology, infectious disease and autoimmunity. A newly developed genetically engineered mouse model enables the analysis of specific antigen presentation in vivo, providing insights into the tumour immunopeptidome and cancer progression.

ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) remains a treatment-refractory disease. Characterizing PDAC by mRNA profiling remains particularly challenging. Previously identified bulk expression subtypes were influenced by contaminating stroma and have not yet informed clinical management, whereas single cell RNA-seq (scRNA-seq) of fresh tumors under-represented key cell types. Here, we developed a robust single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) technique for frozen archival PDAC specimens and used it to study both untreated tumors and those that received neoadjuvant chemotherapy and radiotherapy (CRT). Gene expression programs learned across untreated malignant cell and fibroblast profiles uncovered a clinically relevant molecular taxonomy with improved prognostic stratification compared to prior classifications. Moreover, in the increasingly-adopted neoadjuvant treatment context, there was a depletion of classical-like phenotypes in malignant cells in favor of basal-like phenotypes associated with TNF-NFkB and interferon signaling as well as the presence of novel acinar and neuroendocrine classical-like states, which may be more resilient to cytotoxic treatment. Spatially-resolved transcriptomics revealed an association between malignant cells expressing these basal-like programs and higher immune infiltration with increased lymphocytic content, whereas those exhibiting classical-like programs were linked to sparser macrophage-predominant microniches, perhaps pointing to susceptibility to distinct therapeutic strategies. Our refined molecular taxonomy and spatial resolution can help advance precision oncology in PDAC through informative stratification in clinical trials and insights into differential therapeutic targeting leveraging the immune system.

ABSTRACT Lung cancer is the leading cause of cancer-related death worldwide. Lung adenocarcinoma (LUAD), the most common histological subtype, accounts for 40% of all cases. While genetically engineered mouse models (GEMMs) recapitulate the histological progression and transcriptional evolution of human LUAD, they are slow and technically demanding. In contrast, cell line transplant models are fast and flexible, but are often derived from clonal idiosyncratic tumors that fail to capture the full spectrum of clinical disease. Organoid technologies provide a means to create next-generation cancer models that integrate the most relevant features of autochthonous and transplant-based systems, yet robust and faithful LUAD organoid platforms are currently lacking. Here, we describe optimized conditions to continuously expand murine alveolar type 2 cells (AT2), a prominent cell-of-origin for LUAD, in organoid culture. These organoids display canonical features of AT2 cells, including marker gene expression, the presence of lamellar bodies, and an ability to differentiate into the AT1 lineage. We used this system to develop flexible and versatile immunocompetent organoid-based models of KRAS and ALK- mutant LUAD. Notably, the resultant tumors closely resemble their autochthonous murine counterparts and human LUAD. In contrast to comparable organoid platforms, our system supports long-term maintenance of the AT2 cellular identity, providing unprecedented ease and reliability to study AT2 and LUAD biology in vitro and in vivo .

Abstract Anticancer immunity is predicated on leukocyte migration into tumors. Once recruited, leukocytes undergo substantial reprogramming to adapt to the tumor microenvironment. A major challenge in the field is distinguishing recently recruited from resident leukocytes in tumors. In this study, we developed an intravascular Ab technique to label circulating mouse leukocytes before they migrate to tissues, providing unprecedented insight into the kinetics of recruitment. This approach unveiled the substantial role of leukocyte migration in tumor progression using a preclinical mouse model of lung adenocarcinoma. Regulatory T cells (Tregs), critical mediators of immunosuppression, were continuously and rapidly recruited into tumors throughout cancer progression. Moreover, leukocyte trafficking depended on the integrins CD11a/CD49d, and CD11a/CD49d blockade led to significant tumor burden reduction in mice. Importantly, preventing circulating Treg recruitment through depletion or sequestration in lymph nodes was sufficient to decrease tumor burden, indicating that Treg migration was crucial for suppressing antitumor immunity. These findings underscore the dynamic nature of the immune compartment within mouse lung tumors and demonstrate the relevance of a temporal map of leukocyte recruitment into tumors, thereby advancing our understanding of leukocyte migration in the context of tumor development.

Abstract Effective immunosurveillance of cancer requires the presentation of peptide antigens on major histocompatibility complex Class I (MHC-I). Recent developments in proteomics have improved the identification of peptides that are naturally presented by MHC-I, collectively known as the “immunopeptidome”. Current approaches to profile tumor immunopeptidomes have been limited to in vitro investigation, which fails to capture the in vivo repertoire of MHC-I peptides, or bulk tumor lysates, which are obscured by the lack of tumor-specific MHC-I isolation. To overcome these limitations, we report here the engineering of a Cre recombinase-inducible affinity tag into the endogenous mouse MHC-I gene and targeting of this allele to the Kras LSL-G12D/+ ; p53 fl/fl (KP) mouse model (KP; K b Strep). This novel approach has allowed us to isolate tumor-specific MHC-I peptides from autochthonous pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and lung adenocarcinoma (LUAD) in vivo . With this powerful analytical tool, we were able to profile the evolution of the LUAD immunopeptidome through tumor progression and show that in vivo MHC-I presentation is shaped by post-translational mechanisms. We also uncovered novel, putative LUAD tumor associated antigens (TAAs). Many peptides that were recurrently presented in vivo exhibited very low expression of the cognate mRNA, provoking reconsideration of antigen prediction pipelines that triage peptides according to transcript abundance. Beyond cancer, the K b Strep allele is compatible with a broad range of Cre-driver lines to explore antigen presentation in vivo in the pursuit of understanding basic immunology, infectious disease, and autoimmunity.

Abstract The ability to monitor anti-tumor CD8 + T cell responses in the blood has tremendous therapeutic potential. Here, we used paired single-cell RNA sequencing and T cell receptor (TCR) sequencing to detect and characterize “tumor matching” (TM) CD8 + T cells in the blood of mice with MC38 tumors and melanoma patients using the TCR as a molecular barcode. TM cells showed increased activation compared to non-matching T cells in blood, and appeared less exhausted than matching counterparts in tumor. Importantly, PD-1, which has been used to identify putative circulating anti-tumor CD8 + T cells, showed poor sensitivity for identifying TM cells. By leveraging the transcriptome we identified candidate cell surface marker panels for TM cells in mice and melanoma patients, and validated NKG2D, CD39, and CX3CR1 in mice. These data demonstrate that the TCR can be used to identify tumor-relevant populations for comprehensive characterization, reveal unique transcriptional properties of TM cells, and develop marker panels for tracking and analysis of these cells. Summary Using single-cell RNA-sequencing coupled with TCR sequencing, we detected CD8 + T cell clones shared between blood and tumor in mice and melanoma patients, characterized these matching clones in blood and tumor, and identified potential biomarkers for their isolation in blood.