Although p53 inactivation promotes genomic instability1 and presents a route to malignancy for more than half of all human cancers2,3, the patterns through which heterogenous TP53 (encoding human p53) mutant genomes emerge and influence tumorigenesis remain poorly understood. Here, in a mouse model of pancreatic ductal adenocarcinoma that reports sporadic p53 loss of heterozygosity before cancer onset, we find that malignant properties enabled by p53 inactivation are acquired through a predictable pattern of genome evolution. Single-cell sequencing and in situ genotyping of cells from the point of p53 inactivation through progression to frank cancer reveal that this deterministic behaviour involves four sequential phases-Trp53 (encoding mouse p53) loss of heterozygosity, accumulation of deletions, genome doubling, and the emergence of gains and amplifications-each associated with specific histological stages across the premalignant and malignant spectrum. Despite rampant heterogeneity, the deletion events that follow p53 inactivation target functionally relevant pathways that can shape genomic evolution and remain fixed as homogenous events in diverse malignant populations. Thus, loss of p53-the 'guardian of the genome'-is not merely a gateway to genetic chaos but, rather, can enable deterministic patterns of genome evolution that may point to new strategies for the treatment of TP53-mutant tumours.

Abstract Tumors consist of subpopulations of cells that harbor distinct collections of somatic mutations. These mutations range in scale from single nucleotide variants (SNVs) to large-scale copy-number aberrations (CNAs). While many approaches infer tumor phylogenies using SNVs as phylogenetic markers, CNAs that overlap SNVs may lead to erroneous phylogenetic inference. Specifically, an SNV may be lost in a cell due to a deletion of the genomic segment containing the SNV. Unfortunately, no current single-cell DNA sequencing (scDNA-seq) technology produces accurate measurements of both SNVs and CNAs. For instance, recent targeted scDNA-seq technologies, such as Mission Bio Tapestri, measure SNVs with high fidelity in individual cells, but yield much less reliable measurements of CNAs. We introduce a new evolutionary model, the constrained k-Dollo model , that uses SNVs as phylogenetic markers and partial information about CNAs in the form of clustering of cells with similar copy-number profiles. This copy-number clustering constrains where loss of SNVs can occur in the phylogeny. We develop ConDoR (Constrained Dollo Reconstruction), an algorithm to infer tumor phylogenies from targeted scDNA-seq data using the constrained k -Dollo model. We show that ConDoR outperforms existing methods on simulated data. We use ConDoR to analyze a new multi-region targeted scDNA-seq dataset of 2153 cells from a pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) tumor and produce a more plausible phylogeny compared to existing methods that conforms to histological results for the tumor from a previous study. We also analyze a metastatic colorectal cancer dataset, deriving a more parsimonious phylogeny than previously published analyses and with a simpler monoclonal origin of metastasis compared to the original study. Code availability Software is available at https://github.com/raphael-group/constrained-Dollo

ABSTRACT Lineage plasticity, a capacity to reprogram cell phenotypic identity under evolutionary pressure, is implicated in treatment resistance and metastasis in multiple cancers. In lung adenocarcinomas (LUADs) amenable to treatment with targeted inhibitors, transformation to an aggressive neuroendocrine (NE) carcinoma resembling small cell lung cancer (SCLC) is a recognized mechanism of acquired resistance. Defining molecular mechanisms of NE transformation in lung cancer has been limited by a paucity of well annotated pre- and post-transformation clinical samples. We hypothesized that mixed histology LUAD/SCLC tumors may capture cancer cells proximal to, and on either side of, histologic transformation. We performed detailed genomic, epigenomic, transcriptomic and proteomic characterization of combined LUAD/SCLC tumors as well as pre- and post-transformation clinical samples. Our data support that NE transformation is primarily driven by transcriptional reprogramming rather than mutational events. We identify genomic contexts in which NE transformation is favored, including frequent loss of the 3p chromosome arm in pre-transformation LUADs. Consistent shifts in gene expression programs in NE transformation include induction of several stem/progenitor cell regulatory pathways, including upregulation of PRC2 and WNT signaling, and suppression of Notch pathway activity. We observe induction of PI3K/AKT and an immunosuppressive phenotype in NE transformation. Taken together our findings define a novel landscape of potential drivers and therapeutic vulnerabilities of NE transformation in lung cancer.

Summary Somatic genetic heterogeneity resulting from post-zygotic DNA mutations is widespread in human tissues and can cause diseases, however few studies have investigated its role in neurodegenerative processes such as Alzheimer’s Disease (AD). Here we report the selective enrichment of microglia clones carrying pathogenic variants, that are not present in neuronal, glia/stromal cells, or blood, from patients with AD in comparison to age-matched controls. Notably, microglia-specific AD-associated variants preferentially target the MAPK pathway, including recurrent CBL ring-domain mutations. These variants activate ERK and drive a microglia transcriptional program characterized by a strong neuro-inflammatory response, both in vitro and in patients. Although the natural history of AD-associated microglial clones is difficult to establish in human, microglial expression of a MAPK pathway activating variant was previously shown to cause neurodegeneration in mice, suggesting that AD-associated neuroinflammatory microglial clones may contribute to the neurodegenerative process in patients. One-Sentence Summary A subset of Alzheimer Disease patients carry mutant microglia somatic clones which promote neuro-inflammation.

Abstract High-risk neuroblastoma is generally metastatic and often lethal. Using genomic profiling of 470 sequential and spatially separated samples from 283 patients, we characterize subtype-specific genetic evolutionary trajectories from diagnosis, through progression and end-stage metastatic disease. Clonal tracing timed disease initiation to embryogenesis. Continuous acquisition of structural variants at disease defining loci ( MYCN, TERT, MDM2-CDK4 ) followed by convergent evolution of mutations targeting shared pathways emerged as the predominant feature of progression. At diagnosis metastatic clones were already established at distant sites where they could stay dormant, only to cause relapses years later and spread via metastasis-to-metastasis and polyclonal seeding after therapy.

Abstract The degree of metastatic disease varies widely amongst cancer patients and impacts clinical outcomes. However, the biological and functional differences that drive the extent of metastasis are poorly understood. We analyzed primary tumors and paired metastases using a multi-fluorescent lineage-labeled mouse model of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) – a tumor type where most patients present with metastases. Genomic and transcriptomic analysis revealed an association between metastatic burden and gene amplification or transcriptional upregulation of MYC and its downstream targets. Functional experiments showed that MYC promotes metastasis by recruiting tumor associated macrophages (TAMs), leading to greater bloodstream intravasation. Consistent with these findings, metastatic progression in human PDAC was associated with activation of MYC signaling pathways and enrichment for MYC amplifications specifically in metastatic patients. Collectively, these results implicate MYC activity as a major determinant of metastatic burden in advanced PDAC.

Abstract Despite insights gained by bulk DNA sequencing of cancer it remains challenging to resolve the admixture of normal and tumor cells, and/or of distinct tumor subclones; high throughput single-cell DNA sequencing circumvents these and brings cancer genomic studies to higher resolution. However, its application has been limited to liquid tumors or a small batch of solid tumors, mainly because of the lack of a scalable workflow to process solid tumor samples. Here we optimized a highly automated nuclei extraction workflow that achieved fast and reliable targeted single-nucleus DNA library preparation of 38 samples from 16 pancreatic adenocarcinoma (PDAC) patients, with an average library yield per sample of 2867 single nuclei. We demonstrate that this workflow not only performs well using low cellularity or low tumor purity samples but reveals novel genomic evolution patterns of PDAC as well.

SUMMARY Somatic chromosomal deletions are prevalent in cancer, yet their functional contributions remain ill-defined. Among the most prominent of these events are deletions of chromosome 9p21.3, which disable a cell intrinsic barrier to tumorigenesis by eliminating the CDKN2A/B tumor suppressor genes. However, half of 9p21.3 deletions encompass a cluster of 16 type I interferons (IFNs) whose co-deletions have not been functionally characterized. To dissect how 9p21.3 and other genomic deletions impact cancer, we developed MACHETE (Molecular Alteration of Chromosomes with Engineered Tandem Elements), a genome engineering strategy that enables flexible modeling of megabase-sized deletions. Generation of 9p21.3-syntenic deletions in a mouse model of pancreatic cancer revealed that concomitant loss of Cdkn2a/b and the IFN cluster led to immune evasion and metastasis compared to Cdkn2a/b -only deletions. Mechanistically, IFN co-deletion disrupted type I IFN signaling, altered antigen-presenting cells, and facilitated escape from CD8+ T cell surveillance in a cell extrinsic manner requiring loss of interferon epsilon ( Ifne ). Our results establish co-deletions of the IFN cluster as a pervasive route to tumor immune evasion and metastasis, revealing how deletions can disable physically linked cell intrinsic and extrinsic tumor suppression. Our study establishes a framework to dissect the functions of genomic deletions in cancer and beyond.

Overexpression of repetitive elements is an emerging hallmark of human cancers 1 . Diverse repeats can mimic viruses by replicating within the cancer genome through retrotransposition, or presenting pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) to the pattern recognition receptors (PRRs) of the innate immune system 2-5 . Yet, how specific repeats affect tumor evolution and shape the tumor immune microenvironment (TME) in a pro- or anti-tumorigenic manner remains poorly defined. Here, we integrate whole genome and total transcriptome data from a unique autopsy cohort of multiregional samples collected in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) patients, into a comprehensive evolutionary analysis. We find that more recently evolved S hort I nterspersed N uclear E lements (SINE), a family of retrotransposable repeats, are more likely to form immunostimulatory double-strand RNAs (dsRNAs). Consequently, younger SINEs are strongly co-regulated with RIG-I like receptor associated type-I interferon genes but anti-correlated with pro-tumorigenic macrophage infiltration. We discover that immunostimulatory SINE expression in tumors is regulated by either L ong I nterspersed N uclear E lements 1 (LINE1/L1) mobility or ADAR1 activity in a TP53 mutation dependent manner. Moreover, L1 retrotransposition activity tracks with tumor evolution and is associated with TP53 mutation status. Altogether, our results suggest pancreatic tumors actively evolve to modulate immunogenic SINE stress and induce pro-tumorigenic inflammation. Our integrative, evolutionary analysis therefore illustrates, for the first time, how dark matter genomic repeats enable tumors to co-evolve with the TME by actively regulating viral mimicry to their selective advantage.

The tumor microenvironment (TME) is a challenging environment where cells must cope with stressful conditions such as fluctuating pH levels, hypoxia, and free radicals. In response, stress pathways are activated, which can both promote and inhibit tumorigenesis. In this study, we set out to characterize the stress response landscape across four carcinomas: breast, pancreas, ovary, and prostate tumors, focusing on five pathways: Heat shock response, oxidative stress response, unfolded protein response, hypoxia stress response, and DNA damage response. Using a combination of experimental and computational methods, we create an atlas of the stress response landscape across various types of carcinomas. We find that stress responses are heterogeneously activated in the TME, and highly activated near cancer cells. Focusing on the non-immune stroma we find, across tumor types, that NRF2 and the oxidative stress response are distinctly activated in immune-regulatory cancer-associated fibroblasts and in a unique subset of cancer associated pericytes. Our study thus provides an interactome of stress responses in cancer, offering new ways to intersect survival pathways within the tumor, and advance cancer therapy.