Abstract Intraductal papillary mucinous neoplasms (IPMNs) are cystic precursor lesions to pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). IPMNs undergo multistep progression from low grade (LG) to high grade (HG) dysplasia, culminating in invasive neoplasia. While patterns of IPMN progression have been analyzed using multi-region sequencing for somatic mutations, there is no integrated assessment of molecular events, including copy number alterations (CNAs) and transcriptomics changes, that accompany IPMN progression. We performed laser capture microdissection on surgically resected IPMNs of varying grades of histological dysplasia obtained from 24 patients (total of 74 independent histological lesions), followed by whole exome and whole transcriptome sequencing. Overall, HG IPMNs displayed a significantly greater aneuploidy score than LG lesions, with chromosome 1q amplification, in particular, being associated with HG progression and with cases that harbored cooccurring PDAC. Furthermore, the combined assessment of single nucleotide variants (SNVs) and CNAs identified both linear and branched evolutionary trajectories, underscoring the heterogeneity in the progression of LG lesions to HG and PDAC. At the transcriptome level, upregulation of MYC-regulated targets and downregulation of transcripts associated with the MHC class I antigen presentation machinery was a common feature of progression to HG. Taken together, this work emphasizes the role of 1q copy number amplification as a putative biomarker of high-risk IPMNs, underscores the importance of immune evasion even in non-invasive precursor lesions, and supports a previously underappreciated role of CNA-driven branching evolution as an avenue for IPMN progression. Our study provides important molecular context for risk stratification and cancer interception opportunities in IPMNs. Significance Integrated molecular analysis of genomic and transcriptomic alterations in the multistep progression of intraductal papillary mucinous neoplasms (IPMNs), which are bona fide precursors of pancreatic cancer, identifies features associated with progression of low-risk lesions to high-risk lesions and cancer, which might enable patient stratification and cancer interception strategies.

Abstract Intraductal Papillary Mucinous Neoplasms (IPMNs) of the pancreas are bona fide precursor lesions of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). The most common subtype of IPMNs harbor a gastric foveolar-type epithelium, and these low-grade mucinous neoplasms are harbingers of IPMNs with high-grade dysplasia and cancer. The molecular underpinning of gastric differentiation in IPMNs is unknown, although identifying drivers of this indolent phenotype might enable opportunities for intercepting progression to high-grade IPMN and cancer. We conducted spatial transcriptomics on a cohort of IPMNs, followed by orthogonal and cross species validation studies, which established the transcription factor NKX6-2 as a key determinant of gastric cell identity in low-grade IPMNs. Loss of NKX6-2 expression is a consistent feature of IPMN progression, while re-expression of NKX6-2 in murine IPMN lines recapitulates the aforementioned gastric transcriptional program and glandular morphology. Our study identifies NKX6-2 as a previously unknown transcription factor driving indolent gastric differentiation in IPMN pathogenesis. Significance Improved understanding of the molecular features driving IPMN development and differentiation is critical to prevent cancer progression and enhance risk stratification. Our study employed spatial profiling technologies to characterize the epithelium and microenvironment of IPMN, which revealed a previously unknown link between NKX6-2 expression and gastric differentiation in IPMNs, the latter associated with an indolent biological potential.

Abstract RNF43 is an E3 ubiquitin ligase that is recurrently mutated in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and precursor cystic neoplasms of the pancreas. The impact of RNF43 mutations on PDAC is poorly understood and autochthonous models have not been sufficiently characterized. In this study we describe a genetically engineered mouse model (GEMM) of PDAC with conditional expression of oncogenic Kras and deletion of the catalytic domain of Rnf43 (KRC) in exocrine cells. We demonstrate that Rnf43 loss results in an increased incidence of high-grade cystic lesions of the pancreas and PDAC. Importantly, KRC mice have a significantly decreased survival compared to mice containing only an oncogenic Kras mutation. By use of single cell RNA sequencing we demonstrated that KRC tumor progression is accompanied by a decrease in macrophages, as well as an increase in T and B lymphocytes with evidence of increased immune checkpoint molecule expression and affinity maturation, respectively. This was in stark contrast to the tumor immune microenvironment observed in the Kras / Tp53 driven PDAC GEMM. Furthermore, expression of the chemokine, CXCL5, was found to be specifically decreased in KRC cancer cells by means of epigenetic regulation and emerged as a putative candidate for mediating the unique KRC immune landscape. This GEMM establishes RNF43 as a bona fide tumor suppressor gene in PDAC and puts forth a rationale for an immunotherapy approach in this subset of PDAC cases.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) has co-evolved with humans for millennia and developed multiple mechanisms to evade host immunity. Restoring host immunity in order to shorten existing therapy and improve outcomes will require identifying the full complement by which host immunity is inhibited. Perturbing host DNA methylation is a mechanism induced by chronic infections such as HIV, HPV, LCMV and schistosomiasis to evade host immunity. Here, we evaluated the DNA methylation status of TB patients and their asymptomatic household contacts demonstrating that TB patients have DNA hyper-methylation of the IL-2-STAT5, TNF-NFKB and IFN-γ signaling pathways. By MSRE-qPCR, multiple genes of the IL-12-IFN-γ; signaling pathway (IL12B, IL12RB2, TYK2, IFNGR1, JAK1 and JAK2) were hyper-methylated in TB patients. The DNA hyper-methylation of these pathways is associated with decreased immune responsiveness with decreased mitogen induced upregulation of IFN-γ;, TNF, IL-6 and IL-1β; production. The DNA hyper-methylation of the IL-12-IFN-γ pathway was associated with decreased IFN-γ induced gene expression and decreased IL-12 inducible up-regulation of IFN-γ. This work demonstrates that immune cells from TB patients are characterized by DNA hyper-methylation of genes critical to mycobacterial immunity resulting in decreased mycobacteria-specific and non-specific immune responsiveness.

Oncogenic 'hotspot' mutations of

Abstract Epithelial squamous cell carcinomas (SCC) most commonly originate in the skin, where they display disruptions in the normally tightly regulated homeostatic balance between keratinocyte proliferation and terminal differentiation. We performed a transcriptome-wide screen for genes of unknown function that possess inverse expression patterns in differentiating keratinocytes compared to cutaneous SCC (cSCC) and identified MAB21L4 ( C2ORF54 ) as an enforcer of terminal differentiation that suppresses carcinogenesis. Loss of MAB21L4 in human cSCC organoids enabled malignant transformation through increased expression of the receptor tyrosine kinase rearranged during transfection (RET). In addition to transcriptional upregulation of RET, MAB21L4 deletion preempted recruitment of the CacyBP-Siah1 E3 ligase complex to RET and reduced its ubiquitylation. Both genetic disruption of RET or selective RET inhibition with BLU-667 (pralsetinib) suppressed tumorigenesis in SCC organoids and in vivo tumors while inducing concomitant differentiation. Our results suggest that targeting RET activation is a potential therapeutic strategy for treating SCC. Statement of Significance Few targeted therapies are available to individuals with cSCC who seek or require non-surgical management. Our study demonstrates that downregulation of RET is required for epithelial differentiation and opposes carcinogenesis in cSCC as well as SCC arising from other epithelial tissues.

Abstract Longitudinal monitoring of patients with advanced cancers is crucial to evaluate both disease burden and treatment response. Current liquid biopsy approaches mostly rely on the detection of DNA-based biomarkers. However, plasma RNA analysis can unleash tremendous opportunities for tumor state interrogation and molecular subtyping. Through the application of deep learning algorithms to the deconvolved transcriptomes of RNA within plasma extracellular vesicles (evRNA), we successfully predict consensus molecular subtypes in metastatic colorectal cancer patients. We further demonstrate the ability to monitor changes in transcriptomic subtype under treatment selection pressure and identify molecular pathways in evRNA associated with recurrence. Our approach also identified expressed gene fusions and neoepitopes from evRNA. These results demonstrate the feasibility of transcriptomic-based liquid biopsy platforms for precision oncology approaches, spanning from the longitudinal monitoring of tumor subtype changes to identification of expressed fusions and neoantigens as cancer-specific therapeutic targets, sans the need for tissue-based sampling. Statement of significance We have developed an approach to interrogate changes in cancer molecular subtypes and differentially expressed genes, through the analysis and deconvolution of RNA sequencing of plasma EVs. Serial analyses of tumor-encoded transcriptomes in liquid biopsies can enable facile cancer detection and monitor for recurrences and therapy-induced tumor evolution.

Abstract Background The development of diverse spatial profiling technologies has provided an unprecedented insight into molecular mechanisms driving cancer pathogenesis. Here, we conducted the first integrated cross-species assessment of spatial transcriptomics and spatial metabolomics alterations associated with progression of intraductal papillary mucinous neoplasms (IPMN), bona fide cystic precursors of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). Methods Matrix Assisted Laster Desorption/Ionization (MALDI) mass spectrometry (MS)-based spatial imaging and Visium spatial transcriptomics (ST) (10X Genomics) was performed on human resected IPMN tissues (N= 23) as well as pancreata from a mutant Kras;Gnas mouse model of IPMN. Findings were further compared with lipidomic analyses of cystic fluid from 89 patients with histologically confirmed IPMNs, as well as single-cell and bulk transcriptomic data of PDAC and normal tissues. Results MALDI-MS analyses of IPMN tissues revealed long-chain hydroxylated sulfatides, particularly the C24:0(OH) and C24:1(OH) species, to be selectively enriched in the IPMN and PDAC neoplastic epithelium. Integrated ST analyses confirmed that the cognate transcripts engaged in sulfatide biosynthesis, including UGT8, Gal3St1 , and FA2H , were co-localized with areas of sulfatide enrichment. Lipidomic analyses of cystic fluid identified several sulfatide species, including the C24:0(OH) and C24:1(OH) species, to be significantly elevated in patients with IPMN/PDAC compared to those with low-grade IPMN. Targeting of sulfatide metabolism via the selective galactosylceramide synthase inhibitor, UGT8-IN-1, resulted in ceramide-induced lethal mitophagy and subsequent cancer cell death in vitro , and attenuated tumor growth of mutant Kras;Gnas allografts. Transcript levels of UGT8 and FA2H were also selectively enriched in PDAC transcriptomic datasets compared to non-cancerous areas, and elevated tumoral UGT8 was prognostic for poor overall survival. Conclusion Enhanced sulfatide metabolism is an early metabolic alteration in cystic pre-cancerous lesions of the pancreas that persists through invasive neoplasia. Targeting sulfatide biosynthesis might represent an actionable vulnerability for cancer interception.

ABSTRACT Objective Oncogenic “hotspot” mutations of KRAS and GNAS are two major driver alterations in Intraductal Papillary Mucinous Neoplasms (IPMNs), which are bona fide precursors to pancreatic ductal adenocarcinoma. We previously reported that pancreas-specific Kras G12D and Gnas R201C co-expression in p48 Cre ; Kras LSL-G12D ; Rosa26 LSL-rtTA ; Tg (TetO- Gnas R201C ) mice (“ Kras;Gnas ” mice) caused development of cystic lesions recapitulating IPMNs. Here, we aim to unveil the consequences of mutant Gnas R201C expression on phenotype, transcriptomic profile, and genomic dependencies. Design We performed multimodal transcriptional profiling (bulk RNA sequencing, single cell RNA sequencing, and spatial transcriptomics) in the “ Kras;Gnas” autochthonous model and tumor-derived cell lines ( Kras;Gnas cells), where Gnas R201C expression is inducible. A genome-wide CRISPR/ Cas 9 screen was conducted to identify potential vulnerabilities in Kras G12D ;Gnas R201C co-expressing cells. Results Induction of Gnas R201C – and resulting G (s) alpha signaling – leads to the emergence of a gene signature of gastric (pyloric type) metaplasia in pancreatic neoplastic epithelial cells. CRISPR screening identified the synthetic essentiality of glycolysis-related genes Gpi1 and Slc2a1 in Kras G12D ; Gnas R201C co-expressing cells. Real-time metabolic analyses in Kras;Gnas cells and autochthonous Kras;Gnas model confirmed enhanced glycolysis upon Gnas R201C induction. Induction of Gnas R201C made Kras G12D expressing cells more dependent on glycolysis for their survival. Protein kinase A-dependent phosphorylation of the glycolytic intermediate enzyme PFKFB3 was a driver of increased glycolysis upon Gnas R201C induction. Conclusion Multiple orthogonal approaches demonstrate that Kras G12D and Gnas R201C co-expression results in a gene signature of gastric pyloric metaplasia and glycolytic dependency during IPMN pathogenesis. The observed metabolic reprogramming may provide a potential target for therapeutics and interception of IPMNs. SUMMARY What is already known on this topic Activating “hotspot” mutations of KRAS and GNAS are found in a majority of Intraductal Papillary Mucinous Neoplasms (IPMNs). Expression of mutant KRAS and GNAS drives development of IPMN-like cystic lesions in the murine pancreas that eventually progress to pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). What this study adds Mutant GNAS and the resulting aberrant G (s) alpha signaling drives a transcriptional signature of gastric (pyloric type) metaplasia in IPMNs with mucin production. Aberrant G (s) alpha signaling enhances glycolysis via protein kinase A-dependent phosphorylation of the glycolytic enzyme PFKFB3. Enhanced glycolysis in KRAS;GNAS -mutated IPMN cells is validated via multiple orthogonal approaches in vitro and in vivo and represents an actionable metabolic vulnerability. How this study might affect research, practice or policy The present study provides mechanistic insight into how aberrant G (s) alpha signaling alters the biology of Kras -mutant pancreatic epithelial neoplasia through metaplastic and metabolic reprogramming. Targeting glycolysis in IPMNs may represent both a therapeutic avenue as well as an opportunity for intercepting progression to invasive cancer.

Abstract Intrahepatic cholangiocarcinoma (ICC) is a primary biliary malignancy that harbors a dismal prognosis. Oncogenic mutations of KRAS and loss of function mutations of BRCA1-associated protein 1 ( BAP1 ) have been identified as recurrent somatic alterations in ICC. However, an autochthonous genetically engineered mouse model of ICC that genocopies the co-occurrence of these mutations has never been developed. By crossing Albumin -Cre mice bearing conditional alleles of mutant Kras and/or floxed Bap1 , Cre-mediated recombination within the liver was induced. Mice with hepatic expression of mutant Kras G12D alone (KA), bi-allelic loss of hepatic Bap1 (B homo A), and heterozygous loss of Bap1 in conjunction with mutant Kras G12D expression (B het KA) developed primary hepatocellular carcinoma (HCC), but no discernible ICC. In contrast, mice with homozygous loss of Bap1 in conjunction with mutant Kras G12D expression (B homo KA) developed discrete foci of HCC and ICC. Further, the median survival of B homo KA mice was significantly shorter at 24 weeks, when compared to median survival of ≥40 weeks in B het KA mice and approximately 50 weeks in B homo A and KA mice (p <0.001). Microarray analysis performed on liver tissue from KA and B homo KA mice identified differentially expressed genes in the setting of BAP1 loss and suggests that deregulation of ferroptosis might be one mechanism by which loss of BAP1 cooperates with oncogenic Ras in hepato-biliary carcinogenesis. Our autochthonous model provides an in vivo platform to further study this lethal class of neoplasm.