We performed integrated genomic, transcriptomic, and proteomic profiling of 150 pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) specimens, including samples with characteristic low neoplastic cellularity. Deep whole-exome sequencing revealed recurrent somatic mutations in KRAS, TP53, CDKN2A, SMAD4, RNF43, ARID1A, TGFβR2, GNAS, RREB1, and PBRM1. KRAS wild-type tumors harbored alterations in other oncogenic drivers, including GNAS, BRAF, CTNNB1, and additional RAS pathway genes. A subset of tumors harbored multiple KRAS mutations, with some showing evidence of biallelic mutations. Protein profiling identified a favorable prognosis subset with low epithelial-mesenchymal transition and high MTOR pathway scores. Associations of non-coding RNAs with tumor-specific mRNA subtypes were also identified. Our integrated multi-platform analysis reveals a complex molecular landscape of PDAC and provides a roadmap for precision medicine.

Therapy-resistant cancer cell states identified across diverse contexts are selectively vulnerable to ferroptotic cell death induced by inhibition of lipid peroxidase pathways converging on GPX4. Cancer cells can assume different biological states, which can affect their resistance to therapies. A mesenchymal phenotype has been associated with drug resistance but the mechanism behind this state is not well understood. Stuart Schreiber and colleagues now show that tumour cells with a mesenchymal phenotype are selectively sensitive to inhibition of GPX4, an enzyme that alters lipid metabolism. GPX4 dissipates lipid peroxides and therefore prevents the iron-mediated reactions which induce ferroptotic cell death. These findings offer new perspectives on targeting cancers that have undergone a transition to a mesenchymal state to evade other therapeutic agents. Plasticity of the cell state has been proposed to drive resistance to multiple classes of cancer therapies, thereby limiting their effectiveness1,2,3,4. A high-mesenchymal cell state observed in human tumours and cancer cell lines has been associated with resistance to multiple treatment modalities across diverse cancer lineages, but the mechanistic underpinning for this state has remained incompletely understood1,2,3,4,5,6. Here we molecularly characterize this therapy-resistant high-mesenchymal cell state in human cancer cell lines and organoids and show that it depends on a druggable lipid-peroxidase pathway that protects against ferroptosis, a non-apoptotic form of cell death induced by the build-up of toxic lipid peroxides7,8. We show that this cell state is characterized by activity of enzymes that promote the synthesis of polyunsaturated lipids. These lipids are the substrates for lipid peroxidation by lipoxygenase enzymes8,9. This lipid metabolism creates a dependency on pathways converging on the phospholipid glutathione peroxidase (GPX4), a selenocysteine-containing enzyme that dissipates lipid peroxides and thereby prevents the iron-mediated reactions of peroxides that induce ferroptotic cell death8. Dependency on GPX4 was found to exist across diverse therapy-resistant states characterized by high expression of ZEB1, including epithelial–mesenchymal transition in epithelial-derived carcinomas, TGFβ-mediated therapy-resistance in melanoma, treatment-induced neuroendocrine transdifferentiation in prostate cancer, and sarcomas, which are fixed in a mesenchymal state owing to their cells of origin. We identify vulnerability to ferroptic cell death induced by inhibition of a lipid peroxidase pathway as a feature of therapy-resistant cancer cells across diverse mesenchymal cell-state contexts.

Colorectal cancers comprise a complex mixture of malignant cells, nontransformed cells, and microorganisms. Fusobacterium nucleatum is among the most prevalent bacterial species in colorectal cancer tissues. Here we show that colonization of human colorectal cancers with Fusobacterium and its associated microbiome-including Bacteroides, Selenomonas, and Prevotella species-is maintained in distal metastases, demonstrating microbiome stability between paired primary and metastatic tumors. In situ hybridization analysis revealed that Fusobacterium is predominantly associated with cancer cells in the metastatic lesions. Mouse xenografts of human primary colorectal adenocarcinomas were found to retain viable Fusobacterium and its associated microbiome through successive passages. Treatment of mice bearing a colon cancer xenograft with the antibiotic metronidazole reduced Fusobacterium load, cancer cell proliferation, and overall tumor growth. These observations argue for further investigation of antimicrobial interventions as a potential treatment for patients with Fusobacterium-associated colorectal cancer.

Pancreatic ductal adenocarcinoma ranks among the most lethal of human malignancies. Here, we assess the cooperative interactions of two signature mutations in mice engineered to sustain pancreas-specific Cre-mediated activation of a mutant Kras allele ( Kras G12D ) and deletion of a conditional Ink4a/Arf tumor suppressor allele. The phenotypic impact of Kras G12D alone was limited primarily to the development of focal premalignant ductal lesions, termed pancreatic intraepithelial neoplasias (PanINs), whereas the sole inactivation of Ink4a/Arf failed to produce any neoplastic lesions in the pancreas. In combination, Kras G12D expression and Ink4a/Arf deficiency resulted in an earlier appearance of PanIN lesions and these neoplasms progressed rapidly to highly invasive and metastatic cancers, resulting in death in all cases by 11 weeks. The evolution of these tumors bears striking resemblance to the human disease, possessing a proliferative stromal component and ductal lesions with a propensity to advance to a poorly differentiated state. These findings in the mouse provide experimental support for the widely accepted model of human pancreatic adenocarcinoma in which activated KRAS serves to initiate PanIN lesions, and the INK4A/ARF tumor suppressors function to constrain the malignant conversion of these PanIN lesions into lethal ductal adenocarcinoma. This faithful mouse model may permit the systematic analysis of genetic lesions implicated in the human disease and serve as a platform for the identification of early disease markers and for the efficient testing of novel therapies.

Abstract Pancreatic cancer is the most lethal common solid malignancy. Systemic therapies are often ineffective, and predictive biomarkers to guide treatment are urgently needed. We generated a pancreatic cancer patient–derived organoid (PDO) library that recapitulates the mutational spectrum and transcriptional subtypes of primary pancreatic cancer. New driver oncogenes were nominated and transcriptomic analyses revealed unique clusters. PDOs exhibited heterogeneous responses to standard-of-care chemotherapeutics and investigational agents. In a case study manner, we found that PDO therapeutic profiles paralleled patient outcomes and that PDOs enabled longitudinal assessment of chemosensitivity and evaluation of synchronous metastases. We derived organoid-based gene expression signatures of chemosensitivity that predicted improved responses for many patients to chemotherapy in both the adjuvant and advanced disease settings. Finally, we nominated alternative treatment strategies for chemorefractory PDOs using targeted agent therapeutic profiling. We propose that combined molecular and therapeutic profiling of PDOs may predict clinical response and enable prospective therapeutic selection. Significance: New approaches to prioritize treatment strategies are urgently needed to improve survival and quality of life for patients with pancreatic cancer. Combined genomic, transcriptomic, and therapeutic profiling of PDOs can identify molecular and functional subtypes of pancreatic cancer, predict therapeutic responses, and facilitate precision medicine for patients with pancreatic cancer. Cancer Discov; 8(9); 1112–29. ©2018 AACR. See related commentary by Collisson, p. 1062. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1047

Activating KRAS mutations and p16 Ink4a inactivation are near universal events in human pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). In mouse models, Kras G12D initiates formation of premalignant pancreatic ductal lesions, and loss of either Ink4a / Arf ( p16 Ink4a / p19 Arf ) or p53 enables their malignant progression. As recent mouse modeling studies have suggested a less prominent role for p16 Ink4a in constraining malignant progression, we sought to assess the pathological and genomic impact of inactivation of p16 Ink4a , p19 Arf , and/or p53 in the Kras G12D model. Rapidly progressive PDAC was observed in the setting of homozygous deletion of either p53 or p16 Ink4a , the latter with intact germ-line p53 and p19 Arf sequences. Additionally, Kras G12D in the context of heterozygosity either for p53 plus p16 Ink4a or for p16 Ink4a / p19 Arf produced PDAC with longer latency and greater propensity for distant metastases relative to mice with homozygous deletion of p53 or p16 Ink4a / p19 Arf . Tumors from the double-heterozygous cohorts showed frequent p16 Ink4a inactivation and loss of either p53 or p19 Arf . Different genotypes were associated with specific histopathologic characteristics, most notably a trend toward less differentiated features in the homozygous p16 Ink4a / p19 Arf mutant model. High-resolution genomic analysis revealed that the tumor suppressor genotype influenced the specific genomic patterns of these tumors and showed overlap in regional chromosomal alterations between murine and human PDAC. Collectively, our results establish that disruptions of p16 Ink4a and the p19 ARF -p53 circuit play critical and cooperative roles in PDAC progression, with specific tumor suppressor genotypes provocatively influencing the tumor biological phenotypes and genomic profiles of the resultant tumors.

Abstract The CRISPR/Cas9 system enables genome editing and somatic cell genetic screens in mammalian cells. We performed genome-scale loss-of-function screens in 33 cancer cell lines to identify genes essential for proliferation/survival and found a strong correlation between increased gene copy number and decreased cell viability after genome editing. Within regions of copy-number gain, CRISPR/Cas9 targeting of both expressed and unexpressed genes, as well as intergenic loci, led to significantly decreased cell proliferation through induction of a G2 cell-cycle arrest. By examining single-guide RNAs that map to multiple genomic sites, we found that this cell response to CRISPR/Cas9 editing correlated strongly with the number of target loci. These observations indicate that genome targeting by CRISPR/Cas9 elicits a gene-independent antiproliferative cell response. This effect has important practical implications for the interpretation of CRISPR/Cas9 screening data and confounds the use of this technology for the identification of essential genes in amplified regions. Significance: We found that the number of CRISPR/Cas9-induced DNA breaks dictates a gene-independent antiproliferative response in cells. These observations have practical implications for using CRISPR/Cas9 to interrogate cancer gene function and illustrate that cancer cells are highly sensitive to site-specific DNA damage, which may provide a path to novel therapeutic strategies. Cancer Discov; 6(8); 914–29. ©2016 AACR. See related commentary by Sheel and Xue, p. 824. See related article by Munoz et al., p. 900. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 803

Unlike most tumor suppressor genes, the most common genetic alterations in tumor protein p53 (TP53) are missense mutations1,2. Mutant p53 protein is often abundantly expressed in cancers and specific allelic variants exhibit dominant-negative or gain-of-function activities in experimental models3–8. To gain a systematic view of p53 function, we interrogated loss-of-function screens conducted in hundreds of human cancer cell lines and performed TP53 saturation mutagenesis screens in an isogenic pair of TP53 wild-type and null cell lines. We found that loss or dominant-negative inhibition of wild-type p53 function reliably enhanced cellular fitness. By integrating these data with the Catalog of Somatic Mutations in Cancer (COSMIC) mutational signatures database9,10, we developed a statistical model that describes the TP53 mutational spectrum as a function of the baseline probability of acquiring each mutation and the fitness advantage conferred by attenuation of p53 activity. Collectively, these observations show that widely-acting and tissue-specific mutational processes combine with phenotypic selection to dictate the frequencies of recurrent TP53 mutations. Large-scale loss-of-function screens and TP53 saturation mutagenesis screens in human cancer cell lines suggest that mutational processes combine with phenotypic selection to shape the landscape of somatic mutations at the TP53 locus.

Lung cancer is the leading cause of cancer mortality worldwide, yet there exists a limited view of the genetic lesions driving this disease. In this study, an integrated high-resolution survey of regional amplifications and deletions, coupled with gene-expression profiling of non-small-cell lung cancer subtypes, adenocarcinoma and squamous-cell carcinoma (SCC), identified 93 focal copy-number alterations, of which 21 span <0.5 megabases and contain a median of five genes. Whereas all known lung cancer genes/loci are contained in the dataset, most of these recurrent copy-number alterations are previously uncharacterized and include high-amplitude amplifications and homozygous deletions. Notably, despite their distinct histopathological phenotypes, adenocarcinoma and SCC genomic profiles showed a nearly complete overlap, with only one clear SCC-specific amplicon. Among the few genes residing within this amplicon and showing consistent overexpression in SCC is p63 , a known regulator of squamous-cell differentiation. Furthermore, intersection with the published pancreatic cancer comparative genomic hybridization dataset yielded, among others, two focal amplicons on 8p12 and 20q11 common to both cancer types. Integrated DNA–RNA analyses identified WHSC1L1 and TPX2 as two candidates likely targeted for amplification in both pancreatic ductal adenocarcinoma and non-small-cell lung cancer.