As tumors grow, they acquire mutations, some of which create neoantigens that influence the response of patients to immune checkpoint inhibitors. We explored the impact of neoantigen intratumor heterogeneity (ITH) on antitumor immunity. Through integrated analysis of ITH and neoantigen burden, we demonstrate a relationship between clonal neoantigen burden and overall survival in primary lung adenocarcinomas. CD8(+)tumor-infiltrating lymphocytes reactive to clonal neoantigens were identified in early-stage non-small cell lung cancer and expressed high levels of PD-1. Sensitivity to PD-1 and CTLA-4 blockade in patients with advanced NSCLC and melanoma was enhanced in tumors enriched for clonal neoantigens. T cells recognizing clonal neoantigens were detectable in patients with durable clinical benefit. Cytotoxic chemotherapy-induced subclonal neoantigens, contributing to an increased mutational load, were enriched in certain poor responders. These data suggest that neoantigen heterogeneity may influence immune surveillance and support therapeutic developments targeting clonal neoantigens.

Among patients with non-small-cell lung cancer (NSCLC), data on intratumor heterogeneity and cancer genome evolution have been limited to small retrospective cohorts. We wanted to prospectively investigate intratumor heterogeneity in relation to clinical outcome and to determine the clonal nature of driver events and evolutionary processes in early-stage NSCLC.

The early detection of relapse following primary surgery for non-small-cell lung cancer and the characterization of emerging subclones, which seed metastatic sites, might offer new therapeutic approaches for limiting tumour recurrence. The ability to track the evolutionary dynamics of early-stage lung cancer non-invasively in circulating tumour DNA (ctDNA) has not yet been demonstrated. Here we use a tumour-specific phylogenetic approach to profile the ctDNA of the first 100 TRACERx (Tracking Non-Small-Cell Lung Cancer Evolution Through Therapy (Rx)) study participants, including one patient who was also recruited to the PEACE (Posthumous Evaluation of Advanced Cancer Environment) post-mortem study. We identify independent predictors of ctDNA release and analyse the tumour-volume detection limit. Through blinded profiling of postoperative plasma, we observe evidence of adjuvant chemotherapy resistance and identify patients who are very likely to experience recurrence of their lung cancer. Finally, we show that phylogenetic ctDNA profiling tracks the subclonal nature of lung cancer relapse and metastasis, providing a new approach for ctDNA-driven therapeutic studies. Circulating tumour DNA profiling in early-stage non-small-cell lung cancer can be used to track single-nucleotide variants in plasma to predict lung cancer relapse and identify tumour subclones involved in the metastatic process. Circulating tumour DNA (ctDNA) has proven useful for detecting and monitoring cancer progression from plasma samples. The authors have applied a bespoke multiplex-PCR next-generation sequencing approach to profile ctDNA in the prospective TRACERx lung cancer clinical trial study. The assay tracks clonal and subclonal variants, in pre- and post-surgery samples. In pre-surgery samples ctDNA detection is associated with histological subtype and other pathological variables and correlates with tumour volume. Blinded longitudinal profiling suggests that ctDNA detection also associates with relapse, and provides insight into the evolutionary patterns of tumour cell subclones during progression. These results advance our understanding of how liquid biopsies can be applied clinically to improve monitoring of cancer.

Charles Swanton and colleagues used multiregion exome sequencing to study the evolutionary histories of ten clear cell renal cell carcinomas. They observed marked intratumoral heterogeneity in all cases, with extensive evidence of parallel evolution of tumor subclones and only a small number of truncal driver events. Clear cell renal carcinomas (ccRCCs) can display intratumor heterogeneity (ITH). We applied multiregion exome sequencing (M-seq) to resolve the genetic architecture and evolutionary histories of ten ccRCCs. Ultra-deep sequencing identified ITH in all cases. We found that 73–75% of identified ccRCC driver aberrations were subclonal, confounding estimates of driver mutation prevalence. ITH increased with the number of biopsies analyzed, without evidence of saturation in most tumors. Chromosome 3p loss and VHL aberrations were the only ubiquitous events. The proportion of C>T transitions at CpG sites increased during tumor progression. M-seq permits the temporal resolution of ccRCC evolution and refines mutational signatures occurring during tumor development.

Chromosomal instability is a hallmark of cancer that results from ongoing errors in chromosome segregation during mitosis. Although chromosomal instability is a major driver of tumour evolution, its role in metastasis has not been established. Here we show that chromosomal instability promotes metastasis by sustaining a tumour cell-autonomous response to cytosolic DNA. Errors in chromosome segregation create a preponderance of micronuclei whose rupture spills genomic DNA into the cytosol. This leads to the activation of the cGAS-STING (cyclic GMP-AMP synthase-stimulator of interferon genes) cytosolic DNA-sensing pathway and downstream noncanonical NF-κB signalling. Genetic suppression of chromosomal instability markedly delays metastasis even in highly aneuploid tumour models, whereas continuous chromosome segregation errors promote cellular invasion and metastasis in a STING-dependent manner. By subverting lethal epithelial responses to cytosolic DNA, chromosomally unstable tumour cells co-opt chronic activation of innate immune pathways to spread to distant organs.

Summary

 Immune evasion is a hallmark of cancer. Losing the ability to present neoantigens through human leukocyte antigen (HLA) loss may facilitate immune evasion. However, the polymorphic nature of the locus has precluded accurate HLA copy-number analysis. Here, we present loss of heterozygosity in human leukocyte antigen (LOHHLA), a computational tool to determine HLA allele-specific copy number from sequencing data. Using LOHHLA, we find that HLA LOH occurs in 40% of non-small-cell lung cancers (NSCLCs) and is associated with a high subclonal neoantigen burden, APOBEC-mediated mutagenesis, upregulation of cytolytic activity, and PD-L1 positivity. The focal nature of HLA LOH alterations, their subclonal frequencies, enrichment in metastatic sites, and occurrence as parallel events suggests that HLA LOH is an immune escape mechanism that is subject to strong microenvironmental selection pressures later in tumor evolution. Characterizing HLA LOH with LOHHLA refines neoantigen prediction and may have implications for our understanding of resistance mechanisms and immunotherapeutic approaches targeting neoantigens. 

Video Abstract

Spatial and temporal dissection of the genomic changes occurring during the evolution of human non–small cell lung cancer (NSCLC) may help elucidate the basis for its dismal prognosis. We sequenced 25 spatially distinct regions from seven operable NSCLCs and found evidence of branched evolution, with driver mutations arising before and after subclonal diversification. There was pronounced intratumor heterogeneity in copy number alterations, translocations, and mutations associated with APOBEC cytidine deaminase activity. Despite maintained carcinogen exposure, tumors from smokers showed a relative decrease in smoking-related mutations over time, accompanied by an increase in APOBEC-associated mutations. In tumors from former smokers, genome-doubling occurred within a smoking-signature context before subclonal diversification, which suggested that a long period of tumor latency had preceded clinical detection. The regionally separated driver mutations, coupled with the relentless and heterogeneous nature of the genome instability processes, are likely to confound treatment success in NSCLC.

Analysis of somatic mutations provides insight into the mutational processes that have shaped the cancer genome, but such analysis currently requires large cohorts. We develop deconstructSigs, which allows the identification of mutational signatures within a single tumor sample. Application of deconstructSigs identifies samples with DNA repair deficiencies and reveals distinct and dynamic mutational processes molding the cancer genome in esophageal adenocarcinoma compared to squamous cell carcinomas. deconstructSigs confers the ability to define mutational processes driven by environmental exposures, DNA repair abnormalities, and mutagenic processes in individual tumors with implications for precision cancer medicine.

Combination immune checkpoint blockade has demonstrated promising benefit in lung cancer, but predictors of response to combination therapy are unknown. Using whole-exome sequencing to examine non-small-cell lung cancer (NSCLC) treated with PD-1 plus CTLA-4 blockade, we found that high tumor mutation burden (TMB) predicted improved objective response, durable benefit, and progression-free survival. TMB was independent of PD-L1 expression and the strongest feature associated with efficacy in multivariable analysis. The low response rate in TMB low NSCLCs demonstrates that combination immunotherapy does not overcome the negative predictive impact of low TMB. This study demonstrates the association between TMB and benefit to combination immunotherapy in NSCLC. TMB should be incorporated in future trials examining PD-(L)1 with CTLA-4 blockade in NSCLC.

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.