Pancreatic cancer is one of the most lethal malignancies due to its late diagnosis and limited response to treatment. Tractable methods to identify and interrogate pathways involved in pancreatic tumorigenesis are urgently needed. We established organoid models from normal and neoplastic murine and human pancreas tissues. Pancreatic organoids can be rapidly generated from resected tumors and biopsies, survive cryopreservation, and exhibit ductal- and disease-stage-specific characteristics. Orthotopically transplanted neoplastic organoids recapitulate the full spectrum of tumor development by forming early-grade neoplasms that progress to locally invasive and metastatic carcinomas. Due to their ability to be genetically manipulated, organoids are a platform to probe genetic cooperation. Comprehensive transcriptional and proteomic analyses of murine pancreatic organoids revealed genes and pathways altered during disease progression. The confirmation of many of these protein changes in human tissues demonstrates that organoids are a facile model system to discover characteristics of this deadly malignancy.

Abstract Cancer-associated fibroblasts (CAF) are major players in the progression and drug resistance of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). CAFs constitute a diverse cell population consisting of several recently described subtypes, although the extent of CAF heterogeneity has remained undefined. Here we use single-cell RNA sequencing to thoroughly characterize the neoplastic and tumor microenvironment content of human and mouse PDAC tumors. We corroborate the presence of myofibroblastic CAFs and inflammatory CAFs and define their unique gene signatures in vivo. Moreover, we describe a new population of CAFs that express MHC class II and CD74, but do not express classic costimulatory molecules. We term this cell population “antigen-presenting CAFs” and find that they activate CD4+ T cells in an antigen-specific fashion in a model system, confirming their putative immune-modulatory capacity. Our cross-species analysis paves the way for investigating distinct functions of CAF subtypes in PDAC immunity and progression. Significance: Appreciating the full spectrum of fibroblast heterogeneity in pancreatic ductal adenocarcinoma is crucial to developing therapies that specifically target tumor-promoting CAFs. This work identifies MHC class II–expressing CAFs with a capacity to present antigens to CD4+ T cells, and potentially to modulate the immune response in pancreatic tumors. See related commentary by Belle and DeNardo, p. 1001. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 983

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is poorly responsive to therapies and histologically contains a paucity of neoplastic cells embedded within a dense desmoplastic stroma. Within the stroma, cancer-associated fibroblasts (CAF) secrete tropic factors and extracellular matrix components, and have been implicated in PDAC progression and chemotherapy resistance. We recently identified two distinct CAF subtypes characterized by either myofibroblastic or inflammatory phenotypes; however, the mechanisms underlying their diversity and their roles in PDAC remain unknown. Here, we use organoid and mouse models to identify TGFβ and IL1 as tumor-secreted ligands that promote CAF heterogeneity. We show that IL1 induces LIF expression and downstream JAK/STAT activation to generate inflammatory CAFs and demonstrate that TGFβ antagonizes this process by downregulating IL1R1 expression and promoting differentiation into myofibroblasts. Our results provide a mechanism through which distinct fibroblast niches are established in the PDAC microenvironment and illuminate strategies to selectively target CAFs that support tumor growth. Significance: Understanding the mechanisms that determine CAF heterogeneity in PDAC is a prerequisite for the rational development of approaches that selectively target tumor-promoting CAFs. Here, we identify an IL1-induced signaling cascade that leads to JAK/STAT activation and promotes an inflammatory CAF state, suggesting multiple strategies to target these cells in vivo. See related commentary by Ling and Chiao, p. 173. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 151

Summary

 Pancreatic cancer is a deadly malignancy that lacks effective therapeutics. We previously reported that oncogenic Kras induced the redox master regulator Nfe2l2/Nrf2 to stimulate pancreatic and lung cancer initiation. Here, we show that NRF2 is necessary to maintain pancreatic cancer proliferation by regulating mRNA translation. Specifically, loss of NRF2 led to defects in autocrine epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling and oxidation of specific translational regulatory proteins, resulting in impaired cap-dependent and cap-independent mRNA translation in pancreatic cancer cells. Combined targeting of the EGFR effector AKT and the glutathione antioxidant pathway mimicked Nrf2 ablation to potently inhibit pancreatic cancer ex vivo and in vivo, representing a promising synthetic lethal strategy for treating the disease.

Mounting evidence suggests that epitranscriptional modifications regulate multiple cellular processes. N6-Methyladenosine (m6A), the most abundant reversible methylation of mRNA, has critical roles in cancer pathogenesis. However, the mechanisms and functions of long non-coding RNA (lncRNA) methylation remain unclear. Pancreatic cancer resulted in 411,600 deaths globally in 2015. By the time of pancreatic cancer diagnosis, metastasis has often occurred in other parts of the body. The present study sought to investigate lncRNA m6A modification and its roles in pancreatic cancer.Differential expression between cancer cells and matched normal cells was evaluated to identify candidate lncRNAs. The lncRNA KCNK15-AS1 was detected in cancer tissues and various pancreatic cells using RT-qPCR. KCNK15-AS1 was transfected into cells to explore its role in migration and invasion. Then, m6A RNA immunoprecipitation was performed to detect methylated KCNK15-AS1 in tissues and cells. Epithelial-mesenchymal transition (EMT) markers were used to evaluate KCNK15-AS1-mediated EMT processes.KCNK15-AS1 was downregulated in pancreatic cancer tissues compared with paired adjacent normal tissues. KCNK15-AS1 inhibited migration and invasion in MIA PaCa-2 and BxPC-3 cells. Furthermore, total RNA methylation in cancer cells was significantly enriched relative to that in immortalized human pancreatic duct epithelial (HPDE6-C7) cells. In addition, the m6A eraser ALKBH5 was downregulated in cancer cells, which can demethylate KCNK15-AS1 and regulate KCNK15-AS1-mediated cell motility.Our results have revealed a novel mechanism by which ALKBH5 inhibits pancreatic cancer motility by demethylating lncRNA KCNK15-AS1, identifying a potential therapeutic target for pancreatic cancer.

Abstract Purpose: Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a deadly disease characterized by an extensive fibroinflammatory stroma, which includes abundant cancer-associated fibroblast (CAF) populations. PDAC CAFs are heterogeneous, but the nature of this heterogeneity is incompletely understood. The Hedgehog pathway functions in PDAC in a paracrine manner, with ligands secreted by cancer cells signaling to stromal cells in the microenvironment. Previous reports investigating the role of Hedgehog signaling in PDAC have been contradictory, with Hedgehog signaling alternately proposed to promote or restrict tumor growth. In light of the newly discovered CAF heterogeneity, we investigated how Hedgehog pathway inhibition reprograms the PDAC microenvironment. Experimental Design: We used a combination of pharmacologic inhibition, gain- and loss-of-function genetic experiments, cytometry by time-of-flight, and single-cell RNA sequencing to study the roles of Hedgehog signaling in PDAC. Results: We found that Hedgehog signaling is uniquely activated in fibroblasts and differentially elevated in myofibroblastic CAFs (myCAF) compared with inflammatory CAFs (iCAF). Sonic Hedgehog overexpression promotes tumor growth, while Hedgehog pathway inhibition with the smoothened antagonist, LDE225, impairs tumor growth. Furthermore, Hedgehog pathway inhibition reduces myCAF numbers and increases iCAF numbers, which correlates with a decrease in cytotoxic T cells and an expansion in regulatory T cells, consistent with increased immunosuppression. Conclusions: Hedgehog pathway inhibition alters fibroblast composition and immune infiltration in the pancreatic cancer microenvironment.

SUMMARY The ongoing SARS-CoV-2 pandemic has devastated the global economy and claimed nearly one million lives, presenting an urgent global health crisis. To identify host factors required for infection by SARS-CoV-2 and seasonal coronaviruses, we designed a focused high-coverage CRISPR-Cas9 library targeting 332 members of a recently published SARS-CoV-2 protein interactome. We leveraged the compact nature of this library to systematically screen four related coronaviruses (HCoV-229E, HCoV-NL63, HCoV-OC43 and SARS-CoV-2) at two physiologically relevant temperatures (33 °C and 37 °C), allowing us to probe this interactome at a much higher resolution relative to genome scale studies. This approach yielded several new insights, including unexpected virus and temperature specific differences in Rab GTPase requirements and GPI anchor biosynthesis, as well as identification of multiple pan-coronavirus factors involved in cholesterol homeostasis. This coronavirus essentiality catalog could inform ongoing drug development efforts aimed at intercepting and treating COVID-19, and help prepare for future coronavirus outbreaks. HIGHLIGHTS Focused CRISPR screens targeting host factors in the SARS-CoV-2 interactome were performed for SARS-CoV-2, HCoV-229E, HCoV-NL63, and HCoV-OC43 coronaviruses. Focused interactome CRISPR screens achieve higher resolution compared to genome-wide screens, leading to the identification of critical factors missed by the latter. Parallel CRISPR screens against multiple coronaviruses uncover host factors and pathways with pan-coronavirus and virus-specific functional roles. The number of host proteins that interact with a viral bait protein is not proportional to the number of functional interactors. Novel SARS-CoV-2 host factors are expressed in relevant cell types in the human airway.

ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) samples reveal extensive cellular heterogeneity. Using single-cell RNA sequencing, we uncover multiple tumor cell populations distinguished by their differentiation state and associated with different stages of tumor progression in a mouse model of PDA. We identify Spdef as a factor required for tumorigenesis in pancreatic cancer cells of epithelial and mucinous nature. By comparative analysis of cell differentiation states in mice and humans, we find that the Spdef program is highly expressed by human PDAs of the classical subtype. Mouse and human PDA cells expressing elevated levels of Spdef are dependent upon this transcription factor for tumor progression in vivo . The tumor-promoting function of Spdef is recapitulated by two Spdef target genes that regulate protein folding and endoplasmic reticulum activity, Agr2 and Ern2 /Ire1β. These findings offer insights into the factors controlling differentiation states in PDA and identify new vulnerabilities in the most common subtype of pancreatic cancer.

Abstract Lung cancer treatment has benefited greatly from the development of effective immune-based therapies. However, these strategies still fail in a large subset of patients. Tumor-intrinsic mutations can drive immune evasion via recruiting immunosuppressive populations or suppressing anti-tumor immune responses. KEAP1 is one of the most frequently mutated genes in lung adenocarcinoma patients and is associated with poor prognosis and inferior response to all therapies, including checkpoint blockade. Here, we established a novel antigenic lung cancer model and showed that Keap1-mutant tumors promote dramatic remodeling of the tumor immune microenvironment. Combining single-cell technology and depletion studies, we demonstrate that Keap1-mutant tumors diminish dendritic cell and T cell responses driving immunotherapy resistance. Importantly, analysis of KEAP1 mutant patient tumors revealed analogous decrease in dendritic cell and T cell infiltration. Our study provides new insight into the role of KEAP1 mutations in promoting immune evasion and suggests a path to novel immune-based therapeutic strategies for KEAP1 mutant lung cancer. Statement of significance This study establishes that tumor-intrinsic KEAP1 mutations contribute to immune evasion through suppression of dendritic cell and T cell responses, explaining the observed resistance to immunotherapy of KEAP1 mutant tumors. These results highlight the importance of stratifying patients based on KEAP1 status and paves the way for novel therapeutic strategies.

Abstract Clinical trials of SHP2 inhibitors (SHP2i) alone and in various combinations are ongoing for multiple tumors with over-activation of the RAS/ERK pathway. SHP2 plays critical roles in normal cell signaling; hence, SHP2is could influence the tumor microenvironment. We found that SHP2i treatment depleted alveolar and M2-like macrophages and promoted B and T lymphocyte infiltration in Kras - and Egfr -mutant non-small cell lung cancer (NSCLC). However, treatment also increased intratumor gMDSCs via tumor-intrinsic, NF-kB-dependent production of CXCR2 ligands. Other RAS/ERK pathway inhibitors also induced CXCR2 ligands and gMDSC influx in mice, and CXCR2 ligands were induced in tumors from patients on KRAS G12C -inhibitor trials. Combined SHP2(SHP099)/CXCR1/2(SX682) inhibition depleted a specific cluster of S100a8/9 high gMDSCs, generated Klrg1 + CD8+ effector T cells with a strong cytotoxic phenotype but expressing the checkpoint receptor NKG2A, and enhanced survival in Kras- and Egfr -mutant models. Our results argue for testing RAS/ERK pathway/CXCR1/2/NKG2A inhibitor combinations in NSCLC patients. Statement of Significance Our study shows that inhibiting the SHP2/RAS/ERK pathway triggers NF-kB-dependent up-regulation of CXCR2 ligands and recruitment of S100A8 high gMDSCs, which suppress T cells in NSCLC. Combining SHP2 and CXCR2 inhibitors blocks this gMDSC immigration, resulting in enhanced Th1 polarization, induction of CD8+ KLRG1+ effector T cells with high cytotoxic activity and improved survival in multiple NSCLC models.