Immunosurveillance of cancer requires the presentation of peptide antigens on major histocompatibility complex class I (MHC-I) molecules1–5. Current approaches to profiling of MHC-I-associated peptides, collectively known as the immunopeptidome, are limited to in vitro investigation or bulk tumour lysates, which limits our understanding of cancer-specific patterns of antigen presentation in vivo6. To overcome these limitations, we engineered an inducible affinity tag into the mouse MHC-I gene (H2-K1) and targeted this allele to the KrasLSL-G12D/+Trp53fl/fl mouse model (KP/KbStrep)7. This approach enabled us to precisely isolate MHC-I peptides from autochthonous pancreatic ductal adenocarcinoma and from lung adenocarcinoma (LUAD) in vivo. In addition, we profiled the LUAD immunopeptidome from the alveolar type 2 cell of origin up to late-stage disease. Differential peptide presentation in LUAD was not predictable by mRNA expression or translation efficiency and is probably driven by post-translational mechanisms. Vaccination with peptides presented by LUAD in vivo induced CD8+ T cell responses in naive mice and tumour-bearing mice. Many peptides specific to LUAD, including immunogenic peptides, exhibited minimal expression of the cognate mRNA, which prompts the reconsideration of antigen prediction pipelines that triage peptides according to transcript abundance8. Beyond cancer, the KbStrep allele is compatible with other Cre-driver lines to explore antigen presentation in vivo in the pursuit of understanding basic immunology, infectious disease and autoimmunity. A newly developed genetically engineered mouse model enables the analysis of specific antigen presentation in vivo, providing insights into the tumour immunopeptidome and cancer progression.

Abstract DNA mismatch repair deficiency (MMRd) in human cancer is associated with high tumor mutational burden (TMB), frameshift mutation-derived neoantigens, increased T cell infiltration, and remarkable responsiveness to immune checkpoint blockade (ICB) therapy. Nevertheless, about half of MMRd tumors do not respond to ICB for unclear reasons. While tumor cell line transplant models of MMRd have reinforced the importance of TMB in immune response, critical questions remain regarding the role of immunosurveillance in the evolution of MMRd tumors induced in vivo . Here, we developed autochthonous mouse models of lung and colon cancer with highly efficient ablation of MMR genes via in vivo CRISPR/Cas9 targeting. Surprisingly, MMRd in these models did not result in increased immunogenicity or response to ICB. Mechanistically, we showed this lack of immunogenicity to be driven by profound intratumoral heterogeneity (ITH). Studies in animals depleted of T cells further demonstrated that immunosurveillance in MMRd tumors has no impact on TMB but shapes the clonal architecture of neoantigens by exacerbating ITH. These results provide important context for understanding immune evasion in cancers with high TMB and have major implications for therapies aimed at increasing TMB.

ABSTRACT Lung cancer is the leading cause of cancer-related death worldwide. Lung adenocarcinoma (LUAD), the most common histological subtype, accounts for 40% of all cases. While genetically engineered mouse models (GEMMs) recapitulate the histological progression and transcriptional evolution of human LUAD, they are slow and technically demanding. In contrast, cell line transplant models are fast and flexible, but are often derived from clonal idiosyncratic tumors that fail to capture the full spectrum of clinical disease. Organoid technologies provide a means to create next-generation cancer models that integrate the most relevant features of autochthonous and transplant-based systems, yet robust and faithful LUAD organoid platforms are currently lacking. Here, we describe optimized conditions to continuously expand murine alveolar type 2 cells (AT2), a prominent cell-of-origin for LUAD, in organoid culture. These organoids display canonical features of AT2 cells, including marker gene expression, the presence of lamellar bodies, and an ability to differentiate into the AT1 lineage. We used this system to develop flexible and versatile immunocompetent organoid-based models of KRAS and ALK- mutant LUAD. Notably, the resultant tumors closely resemble their autochthonous murine counterparts and human LUAD. In contrast to comparable organoid platforms, our system supports long-term maintenance of the AT2 cellular identity, providing unprecedented ease and reliability to study AT2 and LUAD biology in vitro and in vivo .

Lineage plasticity is a recognized hallmark of cancer progression that can shape therapy outcomes. The underlying cellular and molecular mechanisms mediating lineage plasticity remain poorly understood. Here, we describe a versatile in vivo platform to identify and interrogate the molecular determinants of neuroendocrine lineage transformation at different stages of prostate cancer progression. Adenocarcinomas reliably develop following orthotopic transplantation of primary mouse prostate organoids acutely engineered with human-relevant driver alterations (e.g., Rb1 -/- ; Trp53 -/- ; cMyc + or Pten -/- ; Trp53 -/- ; cMyc + ), but only those with Rb1 deletion progress to ASCL1+ neuroendocrine prostate cancer (NEPC), a highly aggressive, androgen receptor signaling inhibitor (ARSI)-resistant tumor. Importantly, we show this lineage transition requires a native in vivo microenvironment not replicated by conventional organoid culture. By integrating multiplexed immunofluorescence, spatial transcriptomics and PrismSpot to identify cell type-specific spatial gene modules, we reveal that ASCL1+ cells arise from KRT8+ luminal epithelial cells that progressively acquire transcriptional heterogeneity, producing large ASCL1 + ;KRT8 - NEPC clusters. Ascl1 loss in established NEPC results in transient tumor regression followed by recurrence; however, Ascl1 deletion prior to transplantation completely abrogates lineage plasticity, yielding adenocarcinomas with elevated AR expression and marked sensitivity to castration. The dynamic feature of this model reveals the importance of timing of therapies focused on lineage plasticity and offers a platform for identification of additional lineage plasticity drivers.

The KRAS oncogene is expressed as major KRAS4B and minor KRAS4A splice isoforms, the distinct functions of which in cancer are unknown. We demonstrate here that KRAS4A is enriched in cancer stem-like cells, and is activated by hypoxia, whereas KRAS4B is more widely expressed and responds to ER stress. Mice completely lacking either isoform are viable but resistant to lung cancer development, as are Kras4A/B double heterozygous mice expressing both isoforms, but in which splice regulation has been uncoupled. Splicing of KRAS4A, but not KRAS4B, in human tumor cells can be inhibited by treatment with the splice inhibitor indisulam, or by CRISPR/Cas inhibition of the RBM39 splicing complex. Our data suggest that control of KRAS4A/B splicing is a targetable vulnerability in KRAS mutant tumors.

Lung cancer is the leading cause of cancer-related death and patients most commonly present with incurable metastatic disease. National guidelines recommend screening for high-risk patients with low-dose computed tomography (LDCT), but this approach has limitations including high false positive rates. Activity-based nanosensors (ABNs) detect dysregulated proteases in vivo and release a reporter to provide a urinary readout of disease activity. Here, we demonstrate the translational potential of ABNs by coupling ABN multiplexing with intrapulmonary delivery to detect early-stage lung cancer in an immunocompetent, genetically engineered mouse model (GEMM). The design of the multiplexed panel of sensors was informed by comparative transcriptomic analysis of human and mouse lung adenocarcinoma data sets and in vitro cleavage assays with recombinant candidate proteases. When employed in a Kras and Trp53 mutant lung adenocarcinoma mouse model, this approach confirmed the role of metalloproteases in lung cancer and enabled accurate early detection of disease, with 92% sensitivity and 100% specificity.