Cancer chromosomal instability (CIN) results in an increased rate of change of chromosome number and structure and generates intratumour heterogeneity. CIN is observed in most solid tumours and is associated with both poor prognosis and drug resistance. Understanding a mechanistic basis for CIN is therefore paramount. Here we find evidence for impaired replication fork progression and increased DNA replication stress in CIN(+) colorectal cancer (CRC) cells relative to CIN(-) CRC cells, with structural chromosome abnormalities precipitating chromosome missegregation in mitosis. We identify three new CIN-suppressor genes (PIGN (also known as MCD4), MEX3C (RKHD2) and ZNF516 (KIAA0222)) encoded on chromosome 18q that are subject to frequent copy number loss in CIN(+) CRC. Chromosome 18q loss was temporally associated with aneuploidy onset at the adenoma-carcinoma transition. CIN-suppressor gene silencing leads to DNA replication stress, structural chromosome abnormalities and chromosome missegregation. Supplementing cells with nucleosides, to alleviate replication-associated damage, reduces the frequency of chromosome segregation errors after CIN-suppressor gene silencing, and attenuates segregation errors and DNA damage in CIN(+) cells. These data implicate a central role for replication stress in the generation of structural and numerical CIN, which may inform new therapeutic approaches to limit intratumour heterogeneity.

BackgroundThe focus of tumour-specific antigen analyses has been on single nucleotide variants (SNVs), with the contribution of small insertions and deletions (indels) less well characterised. We investigated whether the frameshift nature of indel mutations, which create novel open reading frames and a large quantity of mutagenic peptides highly distinct from self, might contribute to the immunogenic phenotype.MethodsWe analysed whole-exome sequencing data from 5777 solid tumours, spanning 19 cancer types from The Cancer Genome Atlas. We compared the proportion and number of indels across the cohort, with a subset of results replicated in two independent datasets. We assessed in-silico tumour-specific neoantigen predictions by mutation type with pan-cancer analysis, together with RNAseq profiling in renal clear cell carcinoma cases (n=392), to compare immune gene expression across patient subgroups. Associations between indel burden and treatment response were assessed across four checkpoint inhibitor datasets.FindingsWe observed renal cell carcinomas to have the highest proportion (0·12) and number of indel mutations across the pan-cancer cohort (p<2·2 × 10−16), more than double the median proportion of indel mutations in all other cancer types examined. Analysis of tumour-specific neoantigens showed that enrichment of indel mutations for high-affinity binders was three times that of non-synonymous SNV mutations. Furthermore, neoantigens derived from indel mutations were nine times enriched for mutant specific binding, as compared with non-synonymous SNV derived neoantigens. Immune gene expression analysis in the renal clear cell carcinoma cohort showed that the presence of mutant-specific neoantigens was associated with upregulation of antigen presentation genes, which correlated (r=0·78) with T-cell activation as measured by CD8-positive expression. Finally, analysis of checkpoint inhibitor response data revealed frameshift indel count to be significantly associated with checkpoint inhibitor response across three separate melanoma cohorts (p=4·7 × 10−4).InterpretationRenal cell carcinomas have the highest pan-cancer proportion and number of indel mutations. Evidence suggests indels are a highly immunogenic mutational class, which can trigger an increased abundance of neoantigens and greater mutant-binding specificity.FundingCancer Research UK, UK National Institute for Health Research (NIHR) at the Royal Marsden Hospital National Health Service Foundation Trust, Institute of Cancer Research and University College London Hospitals Biomedical Research Centres, the UK Medical Research Council, the Rosetrees Trust, Novo Nordisk Foundation, the Prostate Cancer Foundation, the Breast Cancer Research Foundation, the European Research Council.

The immune microenvironment influences tumour evolution and can be both prognostic and predict response to immunotherapy1,2. However, measurements of tumour infiltrating lymphocytes (TILs) are limited by a shortage of appropriate data. Whole-exome sequencing (WES) of DNA is frequently performed to calculate tumour mutational burden and identify actionable mutations. Here we develop T cell exome TREC tool (T cell ExTRECT), a method for estimation of T cell fraction from WES samples using a signal from T cell receptor excision circle (TREC) loss during V(D)J recombination of the T cell receptor-α gene (TCRA (also known as TRA)). TCRA T cell fraction correlates with orthogonal TIL estimates and is agnostic to sample type. Blood TCRA T cell fraction is higher in females than in males and correlates with both tumour immune infiltrate and presence of bacterial sequencing reads. Tumour TCRA T cell fraction is prognostic in lung adenocarcinoma. Using a meta-analysis of tumours treated with immunotherapy, we show that tumour TCRA T cell fraction predicts immunotherapy response, providing value beyond measuring tumour mutational burden. Applying T cell ExTRECT to a multi-sample pan-cancer cohort reveals a high diversity of the degree of immune infiltration within tumours. Subclonal loss of 12q24.31–32, encompassing SPPL3, is associated with reduced TCRA T cell fraction. T cell ExTRECT provides a cost-effective technique to characterize immune infiltrate alongside somatic changes. A robust, cost-effective technique based on whole-exome sequencing data can be used to characterize immune infiltrates, relate the extent of these infiltrates to somatic changes in tumours, and enables prediction of tumour responses to immune checkpoint inhibition therapy.

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.

SUMMARY Aberrant methylation is a hallmark of cancer, but bulk tumor data is confounded by admixed normal cells and copy number changes. Here, we introduce Copy number-Aware Methylation Deconvolution Analysis of Cancers (CAMDAC; https://github.com/VanLoo-lab/CAMDAC ), which outputs tumor purity, allele-specific copy number and deconvolved methylation estimates. We apply CAMDAC to 122 multi-region samples from 38 TRACERx non-small cell lung cancers profiled by reduced representation bisulfite sequencing. CAMDAC copy number profiles parallel those derived from genome sequencing and highlight widespread chromosomal instability. Deconvolved polymorphism-independent methylation rates enable unbiased tumor-normal and tumor-tumor differential methylation calling. Read-phasing validates CAMDAC methylation rates and directly links genotype and epitype. We show increased epigenetic instability in adenocarcinoma vs. squamous cell carcinoma, frequent hypermethylation at sites carrying somatic mutations, and parallel copy number losses and methylation changes at imprinted loci. Unlike bulk methylomes, CAMDAC profiles recapitulate tumor phylogenies and evidence distinct patterns of epigenetic heterogeneity in lung cancer.

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.

ABSTRACT Platinum-based drugs are a mainstay of cancer chemotherapy. However, their mutagenic effect can increase tumour heterogeneity, contribute to the evolution of treatment resistance, and also induce secondary malignancies. We coupled whole genome sequencing with phenotypic investigations on two cell line models to compare the magnitude and understand the mechanism of mutagenicity of cisplatin, carboplatin and oxaliplatin. Cisplatin induced significantly more base substitution mutations than carboplatin or oxaliplatin when used at equitoxic concentrations on human TK6 or chicken DT40 cells, and also induced the highest number of short insertions and deletions. Assessment through histone H2AX phosphorylation and single cell agarose gel electrophoresis suggested that cisplatin caused more DNA damage than carboplatin or oxaliplatin. The analysis of base substitution spectra revealed that all three tested platinum drugs elicit both a direct mutagenic effect at purine dinucleotides, and an indirect effect of accelerating endogenous mutagenic processes. Whereas the direct mutagenic effect correlated with the level of DNA damage caused, the indirect mutagenic effects were equal. The different mutagenicity and DNA damaging effect of equitoxic platinum drug treatments suggests that DNA damage independent mechanisms significantly contribute to their cytotoxicity. Thus, the comparatively high mutagenicity of cisplatin should be taken into account in the design of chemotherapeutic regimens.

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.

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a major contributor to treatment resistance and poor outcome for patients with cancer 1,2 . Here we examine the diversity of ecDNA elements across cancer, revealing the associated tissue, genetic and mutational contexts. By analysing data from 14,778 patients with 39 tumour types from the 100,000 Genomes Project, we demonstrate that 17.1% of tumour samples contain ecDNA. We reveal a pattern highly indicative of tissue-context-based selection for ecDNAs, linking their genomic content to their tissue of origin. We show that not only is ecDNA a mechanism for amplification of driver oncogenes, but it also a mechanism that frequently amplifies immunomodulatory and inflammatory genes, such as those that modulate lymphocyte-mediated immunity and immune effector processes. Moreover, ecDNAs carrying immunomodulatory genes are associated with reduced tumour T cell infiltration. We identify ecDNAs bearing only enhancers, promoters and lncRNA elements, suggesting the combinatorial power of interactions between ecDNAs in trans . We also identify intrinsic and environmental mutational processes linked to ecDNA, including those linked to its formation, such as tobacco exposure, and progression, such as homologous recombination repair deficiency. Clinically, ecDNA detection was associated with tumour stage, more prevalent after targeted therapy and cytotoxic treatments, and associated with metastases and shorter overall survival. These results shed light on why ecDNA is a substantial clinical problem that can cooperatively drive tumour growth signals, alter transcriptional landscapes and suppress the immune system.