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 The phenomenon of mixed/heterogenous treatment responses to cancer therapies within an individual patient presents a challenging clinical scenario. Furthermore, the molecular basis of mixed intra-patient tumor responses remains unclear. Here, we show that patients with metastatic lung adenocarcinoma harbouring co-mutations of EGFR and TP53 , are more likely to have mixed intra-patient tumor responses to EGFR tyrosine kinase inhibition (TKI), compared to those with an EGFR mutation alone. The combined presence of whole genome doubling (WGD) and TP53 co-mutations leads to increased genome instability and genomic copy number aberrations in genes implicated in EGFR TKI resistance. Using mouse models and an in vitro isogenic p53 -mutant model system, we provide evidence that WGD provides diverse routes to drug resistance by increasing the probability of acquiring copy-number gains or losses relative to non-WGD cells. These data provide a molecular basis for mixed tumor responses to targeted therapy, within an individual patient, with implications for therapeutic strategies.

Patient-derived xenograft (PDX) models are widely used in cancer research. To investigate the genomic fidelity of non-small cell lung cancer PDX models, we established 48 PDX models from 22 patients enrolled in the TRACERx study. Multi-region tumor sampling increased successful PDX engraftment and most models were histologically similar to their parent tumor. Whole-exome sequencing enabled comparison of tumors and PDX models and we provide an adapted mouse reference genome for improved removal of NOD scid gamma (NSG) mouse-derived reads from sequencing data. PDX model establishment caused a genomic bottleneck, with models often representing a single tumor subclone. While distinct tumor subclones were represented in independent models from the same tumor, individual PDX models did not fully recapitulate intratumor heterogeneity. On-going genomic evolution in mice contributed modestly to the genomic distance between tumors and PDX models. Our study highlights the importance of considering primary tumor heterogeneity when using PDX models and emphasizes the benefit of comprehensive tumor sampling.

Summary As we age, our tissues are repeatedly challenged by mutational insult, yet cancer occurrence is a relatively rare event. Cells carrying cancer-causing genetic mutations compete with normal neighbours for space and survival in tissues. However, the mechanisms underlying mutant-normal competition in adult tissues and the relevance of this process to cancer remain incompletely understood. Here, we investigate how the adult pancreas maintains tissue health in vivo following sporadic expression of oncogenic Kras ( KrasG12D ), the key driver mutation in human pancreatic cancer. We find that when present in tissues in low numbers, KrasG12D mutant cells are outcompeted and cleared from exocrine and endocrine compartments in vivo . Using quantitative 3D tissue imaging, we show that prior to being cleared, KrasG12D cells lose cell volume, segregate from normal cells and decrease E-cadherin-based cell-cell adhesions with normal neighbours. We identify EphA2 receptor is an essential signal in the clearance of KrasG12D cells from exocrine and endocrine tissues in vivo . In the absence of functional EphA2, KrasG12D cells no longer segregate, E-cadherin-based cell-cell adhesions increase and KrasG12D cells are retained in tissues. Retention of KRasG12D cells leads to an increased burden of premalignant pancreatic intraepithelial neoplasia (PanINs) in tissues. Our data show that adult pancreas tissues remodel to clear KrasG12D cells and maintain tissue health. This study provides evidence to support a conserved functional role of EphA2 in Ras-driven cell competition in epithelial tissues and suggests that EphA2 is a novel tumour suppressor in pancreatic cancer.