Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a lethal disease with few available therapeutic options. Two transcriptional cancer cell states have been consistently reported in PDAC, with the basal-like/squamous phenotype displaying a more aggressive biological behavior. Genetic and epigenetic dysregulation of the axon guidance pathway are common in PDAC, yet our understanding of its biological relevance is limited. Here, we investigated the functional role of the axon guidance cue SEMA3A in sustaining the progression of PDAC. We integrated available transcriptomic datasets of human PDAC with in situ hybridization analyses of patients’ tissues to find that SEMA3A is expressed by stromal cells and selectively enriched in epithelial cells of the basal-like/squamous subtype. We found that both cell-intrinsic and cell extrinsic factors instructing the basal-like/squamous subtype induce expression of SEMA3A in PDAC cells. In vitro , SEMA3A promoted cell migration as well as anoikis resistance. At molecular level, these phenotypes were associated with increased FAK signaling and enrichment of gene programs related to cytoskeleton remodeling. Accordingly, SEMA3A provided mouse PDAC cells with greater metastatic competence. In mouse orthotopic allografts, SEMA3A remodeled the TME by favoring infiltration of tumor-associated macrophages and exclusion of T cells. Mechanistically, SEMA3A functioned as chemoattractant for macrophages and favored their polarization towards an M2-like phenotype. In SEMA3A high tumors, depletion of macrophages resulted in greater intratumor infiltration by CD8+ T cells and increased sensitivity of these tumors to chemotherapy. Overall, we show that SEMA3A contributes to the malignant phenotype of basal-like PDAC.

Intratumor heterogeneity and phenotypic plasticity drive tumour progression and therapy resistance. Oncogene dosage variation contributes to cell state transitions and phenotypic heterogeneity, thereby providing a substrate for somatic evolution. Nonetheless, the genetic mechanisms underlying phenotypic heterogeneity are still poorly understood. Here, we show that extrachromosomal DNA (ecDNA) is a major source of high-level focal amplification in key oncogenes and a major contributor of MYC heterogeneity in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). We demonstrate that ecDNA can drive exceptionally high dosage of MYC and afford cancer cells rapid adaptation to microenvironmental changes. The continued maintenance of extrachromosomal MYC is uniquely ensured by the presence of the selective pressure. We also show that MYC dosage affects cell morphology and dependence of cancer cells on stromal niche factors, with the highest MYC levels correlating with squamous-like phenotypes. Our work provides the first detailed analysis of ecDNAs in PDAC and describes a new genetic mechanism driving MYC heterogeneity in PDAC.

Fibroblast heterogeneity is increasingly recognised across cancer conditions. Given their important contribution to disease progression, mapping out fibroblasts heterogeneity is critical to devise effective anti-cancer therapies. Cancer-associated fibroblasts (CAFs) represent the most abundant cell population in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). Whether CAF phenotypes are differently specified by PDAC cell lineages remains to be elucidated. Here, we reveal an important role for the MAPK signalling pathway in the definition of PDAC CAF phenotypes. We identify the myCAF transcriptional phenotype as uniquely dependent on proficient MAPK signalling. In addition, CAFs displaying elevated MAPK activity are specifically anchored to basal-like/squamous PDAC cells and define tumour subdomains with reduced frequency of CD8+ T cells. We characterize the single-cell transcriptome of mouse PDAC tumours in response to MAPK inhibition and identify gene expression signatures of MAPKhigh CAFs, which suggest immunoregulatory functions. Accordingly, a gene expression signature of MAPKhigh CAFs correlates with poor prognosis in several human cancer conditions, including PDAC, and with reduced response to immune checkpoint inhibition in immune-reactive solid tumours. Altogether, our data expand our knowledge on CAF phenotype heterogeneity and reveal a new strategy for targeting of myofibroblastic CAFs in vivo.

Fibroblast heterogeneity is increasingly recognised across cancer conditions. Given their important contribution to disease progression, mapping fibroblasts' heterogeneity is critical to devise effective anti-cancer therapies. Cancer-associated fibroblasts (CAFs) represent the most abundant cell population in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). Whether CAF phenotypes are differently specified by PDAC cell lineages remains to be elucidated. Here, we reveal an important role for the MAPK signalling pathway in defining PDAC CAF phenotypes. We show that epithelial MAPK activity promotes the myofibroblastic differentiation of CAFs by sustaining the expression and secretion of TGF-β1. We integrate single-cell profiling of post-perturbation transcriptional responses from mouse models with cellular and spatial profiles of human tissues to define a MAPKhigh CAF (mapCAF) phenotype. We show that this phenotype associates with basal-like tumour cells and reduced frequency of CD8+ T cells. In addition to elevated MAPK activity, this mapCAF phenotype is characterized by TGF-β signalling, hypoxia responsive signatures, and immunoregulatory gene programs. Furthermore, the mapCAF signature is enriched in myofibroblastic CAFs from various cancer conditions and correlates with reduced response to immune checkpoint inhibition in melanoma. Altogether, our data expand our knowledge on CAF phenotype heterogeneity and reveal a potential strategy for targeting myofibroblastic CAFs in vivo. Phenotypic and functional heterogeneity of cancer associated fibroblasts (CAFs) has been reported in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). Here the authors show that epithelial MAPK activity promotes myofibroblastic differentiation of CAFs. Furthermore, the epithelial basal-like subtype is associated with a CAF phenotype characterized by elevated MAPK activity and TGF-β signalling, associated with T cell exclusion in PDAC.