SUMMARY Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth, expansion to neighboring and distal tissues, and therapeutic resistance. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53 (KP)-driven lung adenocarcinoma which enabled us to track tumor evolution from single transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by transient increase in plasticity. This was followed by adoption of distinct fitness-associated transcriptional programs which enable rapid expansion and ultimately clonal sweep of rare, stable subclones capable of metastasizing to distant sites. Finally, we showed that tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates tumor progression by creating novel evolutionary paths. Overall, our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution, and more broadly enables the in-depth study of tumor progression.

Summary Meiotic crossovers result from homology-directed repair of double strand breaks (DSBs). Unlike yeast and plants, where DSBs are generated near gene promoters, in many vertebrates, DSBs are enriched at hotspots determined by the DNA binding activity of the rapidly evolving zinc finger array of PRDM9 (PR domain zinc finger protein 9). PRDM9 subsequently catalyzes tri-methylation of lysine 4 and lysine 36 of Histone H3 in nearby nucleosomes. Here, we identify the dual histone methylation reader ZCWPW1, which is tightly co-expressed during spermatogenesis with Prdm9 and co-evolved with Prdm9 in vertebrates, as an essential meiotic recombination factor required for efficient synapsis and repair of PRDM9-dependent DSBs. In sum, our results indicate that the evolution of a dual histone methylation writer/reader system in vertebrates facilitated a shift in genetic recombination away from a static pattern near genes towards a flexible pattern controlled by the rapidly evolving DNA binding activity of PRDM9.

SUMMARY Transition from smooth, lissencephalic brains to highly-folded, gyrencephalic structures is associated with neuronal expansion and breaks in neurogenic symmetry. Here we show that Neurog2 and Ascl1 proneural genes regulate cortical progenitor cell differentiation through cross-repressive interactions to sustain neurogenic continuity in a lissencephalic rodent brain. Using in vivo lineage tracing, we found that Neurog2 and Ascl1 expression defines a lineage continuum of four progenitor pools, with ‘double + progenitors’ displaying several unique features (least lineage-restricted, complex gene regulatory network, G 2 pausing). Strikingly, selective killing of double + progenitors using split-Cre; Rosa-DTA transgenics breaks neurogenic symmetry by locally disrupting Notch signaling, leading to cortical folding. Finally, consistent with NEUROG2 and ASCL1 driving discontinuous neurogenesis and folding in gyrencephalic species, their transcripts are modular in folded macaque cortices and pseudo-folded human cerebral organoids. Neurog2 / Ascl1 double + progenitors are thus Notch-ligand expressing ‘niche’ cells that control neurogenic periodicity to determine cortical gyrification. HIGHLIGHTS Neurog2 and Ascl1 expression defines four distinct transitional progenitor states Double + NPCs are transcriptionally complex and mark a lineage branch point Double + NPCs control neurogenic patterning and cortical folding via Notch signaling Neurog2 and Ascl1 expression is modular in folded and not lissencephalic cortices eTOC BLURB Emergence of a gyrencephalic cortex is associated with a break in neurogenic continuity across the cortical germinal zone. Han et al. identify a pool of unbiased neural progenitors at a lineage bifurcation point that co-express Neurog2 and Ascl1 and produce Notch ligands to control neurogenic periodicity and cortical folding.

SUMMARY Totipotent cells have the ability of generating embryonic and extra-embryonic tissues 1,2 . Interestingly, a rare population of cells with totipotent-like potential was identified within ESC cultures 3 . These cells, known as 2 cell (2C)-like cells, arise from ESC and display similar features to those found in the totipotent 2 cell embryo 2-4 . However, the molecular determinants of 2C-like conversion have not been completely elucidated. Here, we show that CTCF is a barrier for 2C-like reprogramming. Indeed, forced conversion to a 2C-like state by DUX expression was associated with DNA damage at a subset of CTCF binding sites. Endogenous or DUX-induced 2C-like ESC showed decreased CTCF enrichment at known binding sites, suggesting that acquisition of a totipotent-like state is associated with a highly dynamic chromatin architecture. Accordingly, depletion of CTCF in ESC efficiently promoted spontaneous and asynchronous conversion to a totipotent-like state. This phenotypic reprogramming was reversible upon restoration of CTCF levels. Furthermore, we showed that transcriptional activation of the ZSCAN4 cluster was necessary for successful 2C-like reprogramming. In summary, we revealed the intimate relation between CTCF and totipotent-like reprogramming.

Genome stability is essential for all cell types. However, defects in DNA repair frequently lead to neurodevelopmental and neurodegenerative diseases, underscoring the particular importance of DNA repair in long-lived post-mitotic neurons. The neuronal genome is subjected to a constant barrage of endogenous DNA damage due to high levels of oxidative metabolism in the central nervous system. Surprisingly, we know little about the identity of the lesion(s) that accumulate in neurons and whether they accrue throughout the genome or at specific loci. Here, we show that neurons, but not other post-mitotic cells, accumulate unexpectedly high numbers of DNA single-strand breaks (SSBs) at specific sites within the genome. These recurrent SSBs are found within enhancers, and trigger DNA repair through recruitment and activation of poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP1) and XRCC1, the central SSB repair scaffold protein. Notably, deficiencies in PARP1, XRCC1, or DNA polymerase β elevate the localized incorporation of nucleotides, suggesting that the ongoing DNA synthesis at neuronal enhancers involves both short-patch and long-patch SSB repair processes. These data reveal unexpected levels of localized and continuous DNA single-strand breakage in neurons, suggesting an explanation for the neurodegenerative phenotypes that occur in patients with defective SSB repair.

Capicua (Cic) is a transcriptional repressor mutated in the brain cancer oligodendroglioma. Despite its cancer link, little is known of Cic function in the brain. Here, we investigated the relationship between Cic expression and cell type specification in the brain. Cic is strongly expressed in astrocytic and neuronal lineage cells but is more weakly expressed in stem cells and oligodendroglial lineage cells. Using a new conditional Cic knockout mouse, we show that forebrain-specific Cic deletion increases proliferation and self-renewal of neural stem cells. Furthermore, Cic loss biases neural stem cells toward glial lineage selection, expanding the pool of oligodendrocyte precursor cells (OPCs). These proliferation and lineage selection effects in the developing brain are dependent on de-repression of Ets transcription factors. In patient-derived oligodendroglioma cells, CIC re-expression or ETV5 blockade decreases lineage bias, proliferation, self-renewal and tumorigenicity. Our results identify Cic is an important regulator of cell fate in neurodevelopment and oligodendroglioma, and suggest that its loss contributes to oligodendroglioma by promoting proliferation and an OPC-like identity via Ets overactivity.

Abstract Tailoring the best treatments to cancer patients is an important open challenge. Here, we build a precision oncology data science and software framework for PER sonalized single- C ell E xpression-based P lanning for T reatments In On cology (PERCEPTION). Our approach capitalizes on recently published matched bulk and single-cell transcriptome profiles of large-scale cell-line drug screens to build treatment response models from patients’ single-cell (SC) tumor transcriptomics. First, we show that PERCEPTION successfully predicts the response to monotherapy and combination treatments in screens performed in cancer and patient-tumor-derived primary cells based on SC-expression profiles. Second, it successfully stratifies responders to combination therapy based on the patients’ tumor’s SC-expression in two very recent multiple myeloma and breast cancer clinical trials. Thirdly, it captures the development of clinical resistance to five standard tyrosine kinase inhibitors using tumor SC-expression profiles obtained during treatment in a lung cancer patients’ cohort. Notably, PERCEPTION outperforms state-of-the-art bulk expression-based predictors in all three clinical cohorts. In sum, this study provides a first-of-its-kind conceptual and computational method that is predictive of response to therapy in patients, based on the clonal SC gene expression of their tumors.

Introductory paragraph The clinical success of targeted cancer therapy is limited by drug resistance that renders cancers lethal in patients 1-4 . Human tumours can evolve therapy resistance by acquiring de novo genetic alterations and increased heterogeneity via mechanisms that remain incompletely understood 1 . Here, through parallel analysis of human clinical samples, tumour xenograft and cell line models and murine model systems, we uncover an unanticipated mechanism of therapy-induced adaptation that fuels the evolution of drug resistance. Targeted therapy directed against EGFR and ALK oncoproteins in lung cancer induced adaptations favoring apolipoprotein B mRNA-editing enzyme, catalytic polypeptide (APOBEC)-mediated genome mutagenesis. In human oncogenic EGFR -driven and ALK -driven lung cancers and preclinical models, EGFR or ALK inhibitor treatment induced the expression and DNA mutagenic activity of APOBEC3B via therapy-mediated activation of NF-κB signaling. Moreover, targeted therapy also mediated downregulation of certain DNA repair enzymes such as UNG2, which normally counteracts APOBEC-catalyzed DNA deamination events. In mutant EGFR -driven lung cancer mouse models, APOBEC3B was detrimental to tumour initiation and yet advantageous to tumour progression during EGFR targeted therapy, consistent with TRACERx data demonstrating subclonal enrichment of APOBEC-mediated mutagenesis. This study reveals how cancers adapt and drive genetic diversity in response to targeted therapy and identifies APOBEC deaminases as future targets for eliciting more durable clinical benefit to targeted cancer therapy.

Abstract DNA double strand break (DSB) repair by homologous recombination (HR) is thought to be restricted to the S- and G 2 - phases of the cell cycle in part due to 53BP1 antagonizing DNA end resection in G 1 -phase and non-cycling quiescent (G 0 ) cells. Here, we show that LIN37, a component of the DREAM transcriptional repressor, functions in a 53BP1-independent manner to prevent DNA end resection and HR in G 0 cells. Loss of LIN37 leads to expression of HR proteins, including BRCA1, BRCA2, PALB2 and RAD51, and DNA end resection in G 0 cells even in the presence of 53BP1. In contrast to 53BP1-deficiency, DNA end resection in LIN37-deficient G 0 cells depends on BRCA1 and leads to RAD51 filament formation and HR. LIN37 is not required to protect DNA ends in cycling cells at G 1 -phase. Thus, LIN37 regulates a novel 53BP1-independent cell phase-specific DNA end protection pathway that functions uniquely in quiescent cells.

Abstract Genetic interactions impact both normal human physiology and human diseases, such as cancer. Here, we study genetic interactions through the lens of human lung cancers driven by oncogenic forms of the epidermal growth factor receptor (EGFR), which we and others previously showed harbor a rich landscape of genetic co-alterations and potential genetic interactions. Among the most common genetic co-alterations with oncogenic EGFR are genomic amplifications of cell cycle regulators CDK4 or CDK6 , which have been implicated in EGFR inhibitor clinical resistance, although the mechanism underlying this effect is not well characterized. We show that CDK4/6 upregulation overcomes EGFR inhibitor-induced G1/S cell cycle arrest in association with increased replication stress, DNA damage and genomic instability. These biological effects arising in CDK4/6 upregulated tumors help to enable resistance to EGFR targeted therapies through established genetic resistance mechanisms. Combinatorial EGFR and CDK4/6 inhibitor treatment alleviated genomic instability and EGFR inhibitor resistance in patient-derived preclinical models. This study reveals mechanistic and clinical impacts of the genetic interaction between oncogenic EGFR and CDK4/6 co-alterations in human lung cancer.