Deep-genome and single-cell sequencing analyses of patient-derived breast cancer xenografts reveal extensive, dynamic and reproducible changes in intra-tumoral mutational clonal composition on engraftment and serial propagation. Xenograft transplantation of primary human cancer cells into mice provides valuable models in which to study mechanisms underlying tumorigenesis, drug response and resistance. This study demonstrates that clonal evolution resembling that seen in human tumours also occurs on engraftment and during subsequent passaging of breast tumours in immunodeficient mice. In addition, similar clonal expansion patterns emerge in independent grafts of the same starting tumour population, indicating that genomic aberrations can be reproducible determinants of evolutionary trajectories. These findings suggest that patient-derived xenografts may be useful for studying patient-specific tumour characteristics such as the response to drugs tailored to specific genomic alterations. Human cancers, including breast cancers, comprise clones differing in mutation content. Clones evolve dynamically in space and time following principles of Darwinian evolution1,2, underpinning important emergent features such as drug resistance and metastasis3,4,5,6,7. Human breast cancer xenoengraftment is used as a means of capturing and studying tumour biology, and breast tumour xenografts are generally assumed to be reasonable models of the originating tumours8,9,10. However, the consequences and reproducibility of engraftment and propagation on the genomic clonal architecture of tumours have not been systematically examined at single-cell resolution. Here we show, using deep-genome and single-cell sequencing methods, the clonal dynamics of initial engraftment and subsequent serial propagation of primary and metastatic human breast cancers in immunodeficient mice. In all 15 cases examined, clonal selection on engraftment was observed in both primary and metastatic breast tumours, varying in degree from extreme selective engraftment of minor (<5% of starting population) clones to moderate, polyclonal engraftment. Furthermore, ongoing clonal dynamics during serial passaging is a feature of tumours experiencing modest initial selection. Through single-cell sequencing, we show that major mutation clusters estimated from tumour population sequencing relate predictably to the most abundant clonal genotypes, even in clonally complex and rapidly evolving cases. Finally, we show that similar clonal expansion patterns can emerge in independent grafts of the same starting tumour population, indicating that genomic aberrations can be reproducible determinants of evolutionary trajectories. Our results show that measurement of genomically defined clonal population dynamics will be highly informative for functional studies using patient-derived breast cancer xenoengraftment.

Progesterone receptor (PR) expression is used as a biomarker of oestrogen receptor-α (ERα) function and breast cancer prognosis. Here we show that PR is not merely an ERα-induced gene target, but is also an ERα-associated protein that modulates its behaviour. In the presence of agonist ligands, PR associates with ERα to direct ERα chromatin binding events within breast cancer cells, resulting in a unique gene expression programme that is associated with good clinical outcome. Progesterone inhibited oestrogen-mediated growth of ERα+ cell line xenografts and primary ERα+ breast tumour explants, and had increased anti-proliferative effects when coupled with an ERα antagonist. Copy number loss of PGR, the gene coding for PR, is a common feature in ERα+ breast cancers, explaining lower PR levels in a subset of cases. Our findings indicate that PR functions as a molecular rheostat to control ERα chromatin binding and transcriptional activity, which has important implications for prognosis and therapeutic interventions. Progesterones, oestrogens and their receptors (PR, ERα and ERβ) are essential in normal breast development and homeostasis, as well as in breast cancer; here it is shown that PR controls ERα function by redirecting where ERα binds to the chromatin, acting as a proliferative brake in ERα+ breast tumours. Progesterones and their receptor (PR) and oestrogens and their receptors (ERα and ERβ) play crucial roles in normal breast development and homeostasis, as well as in breast cancer, where the presence of these receptors has been used as a prognostic marker of whether breast cancers will respond to ER receptor antagonists. The relationship between their functions has not been entirely clear, and now Jason Carroll and colleagues reveal a key piece of the puzzle by showing that the PR controls ERα function. By re-directing where ERα binds to chromatin, it acts as a proliferative brake in ERα+ breast tumours. Accordingly, loss of the PGR gene, which encodes the PR, is associated with poorer outcome in breast cancer patients.

TGFβ acts as a tumor suppressor in normal epithelial cells and early-stage tumors and becomes an oncogenic factor in advanced tumors. The molecular mechanisms involved in the malignant function of TGFβ are not fully elucidated. We demonstrate that high TGFβ-Smad activity is present in aggressive, highly proliferative gliomas and confers poor prognosis in patients with glioma. We discern the mechanisms and molecular determinants of the TGFβ oncogenic response with a transcriptomic approach and by analyzing primary cultured patient-derived gliomas and human glioma biopsies. The TGFβ-Smad pathway promotes proliferation through the induction of PDGF-B in gliomas with an unmethylated PDGF-B gene. The epigenetic regulation of the PDGF-B gene dictates whether TGFβ acts as an oncogenic factor inducing PDGF-B and proliferation in human glioma.

The inter- and intra-tumor heterogeneity of breast cancer needs to be adequately captured in pre-clinical models. We have created a large collection of breast cancer patient-derived tumor xenografts (PDTXs), in which the morphological and molecular characteristics of the originating tumor are preserved through passaging in the mouse. An integrated platform combining in vivo maintenance of these PDTXs along with short-term cultures of PDTX-derived tumor cells (PDTCs) was optimized. Remarkably, the intra-tumor genomic clonal architecture present in the originating breast cancers was mostly preserved upon serial passaging in xenografts and in short-term cultured PDTCs. We assessed drug responses in PDTCs on a high-throughput platform and validated several ex vivo responses in vivo. The biobank represents a powerful resource for pre-clinical breast cancer pharmacogenomic studies (http://caldaslab.cruk.cam.ac.uk/bcape), including identification of biomarkers of response or resistance.

BRCA1 deficiencies cause breast, ovarian, prostate and other cancers, and render tumours hypersensitive to poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. To understand the resistance mechanisms, we conducted whole-genome CRISPR–Cas9 synthetic-viability/resistance screens in BRCA1-deficient breast cancer cells treated with PARP inhibitors. We identified two previously uncharacterized proteins, C20orf196 and FAM35A, whose inactivation confers strong PARP-inhibitor resistance. Mechanistically, we show that C20orf196 and FAM35A form a complex, ‘Shieldin’ (SHLD1/2), with FAM35A interacting with single-stranded DNA through its C-terminal oligonucleotide/oligosaccharide-binding fold region. We establish that Shieldin acts as the downstream effector of 53BP1/RIF1/MAD2L2 to promote DNA double-strand break (DSB) end-joining by restricting DSB resection and to counteract homologous recombination by antagonizing BRCA2/RAD51 loading in BRCA1-deficient cells. Notably, Shieldin inactivation further sensitizes BRCA1-deficient cells to cisplatin, suggesting how defining the SHLD1/2 status of BRCA1-deficient tumours might aid patient stratification and yield new treatment opportunities. Highlighting this potential, we document reduced SHLD1/2 expression in human breast cancers displaying intrinsic or acquired PARP-inhibitor resistance. Through CRISPR–Cas9 screen, Dev et al. identified that SHLD1/2 inhibition contributes to PARP-inhibitor resistance. Mechanistically, SHLDs promote non-homologous end-joining and antagonize homologous recombination.

BackgroundBRCA1 and BRCA2 (BRCA1/2)-deficient tumors display impaired homologous recombination repair (HRR) and enhanced sensitivity to DNA damaging agents or to poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors (PARPi). Their efficacy in germline BRCA1/2 (gBRCA1/2)-mutated metastatic breast cancers has been recently confirmed in clinical trials. Numerous mechanisms of PARPi resistance have been described, whose clinical relevance in gBRCA-mutated breast cancer is unknown. This highlights the need to identify functional biomarkers to better predict PARPi sensitivity.Patients and methodsWe investigated the in vivo mechanisms of PARPi resistance in gBRCA1 patient-derived tumor xenografts (PDXs) exhibiting differential response to PARPi. Analysis included exome sequencing and immunostaining of DNA damage response proteins to functionally evaluate HRR. Findings were validated in a retrospective sample set from gBRCA1/2-cancer patients treated with PARPi.ResultsRAD51 nuclear foci, a surrogate marker of HRR functionality, were the only common feature in PDX and patient samples with primary or acquired PARPi resistance. Consistently, low RAD51 was associated with objective response to PARPi. Evaluation of the RAD51 biomarker in untreated tumors was feasible due to endogenous DNA damage. In PARPi-resistant gBRCA1 PDXs, genetic analysis found no in-frame secondary mutations, but BRCA1 hypomorphic proteins in 60% of the models, TP53BP1-loss in 20% and RAD51-amplification in one sample, none mutually exclusive. Conversely, one of three PARPi-resistant gBRCA2 tumors displayed BRCA2 restoration by exome sequencing. In PDXs, PARPi resistance could be reverted upon combination of a PARPi with an ataxia-telangiectasia mutated (ATM) inhibitor.ConclusionDetection of RAD51 foci in gBRCA tumors correlates with PARPi resistance regardless of the underlying mechanism restoring HRR function. This is a promising biomarker to be used in the clinic to better select patients for PARPi therapy. Our study also supports the clinical development of PARPi combinations such as those with ATM inhibitors.

Identifying transcript location in cells Identifying where specific RNAs occur within a cell or tissue has been limited by technology and imaging capabilities. Expansion microscopy has allowed for better visualization of small structures by expanding the tissues with a polymer- and hydrogel-based system. Alon et al. combined expansion microscopy with long-read in situ RNA sequencing, resulting in a more precise visualization of the location of specific transcripts. This method, termed “ExSeq” for expansion sequencing, was used to detect RNAs, both new transcripts and those previously demonstrated to localize to neuronal dendrites. Unlike other in situ sequencing methods, ExSeq does not target sets of genes. This technology thus unites spatial resolution, multiplexing, and an unbiased approach to reveal insights into RNA localization and its physiological roles in developing and active tissue. Science , this issue p. eaax2656

Accurate measurement of clonal genotypes, mutational processes, and replication states from individual tumor-cell genomes will facilitate improved understanding of tumor evolution. We have developed DLP+, a scalable single-cell whole-genome sequencing platform implemented using commodity instruments, image-based object recognition, and open source computational methods. Using DLP+, we have generated a resource of 51,926 single-cell genomes and matched cell images from diverse cell types including cell lines, xenografts, and diagnostic samples with limited material. From this resource we have defined variation in mitotic mis-segregation rates across tissue types and genotypes. Analysis of matched genomic and image measurements revealed correlations between cellular morphology and genome ploidy states. Aggregation of cells sharing copy number profiles allowed for calculation of single-nucleotide resolution clonal genotypes and inference of clonal phylogenies and avoided the limitations of bulk deconvolution. Finally, joint analysis over the above features defined clone-specific chromosomal aneuploidy in polyclonal populations.