Aneuploidy, defined as the loss and gain of whole and part chromosomes, is a near-ubiquitous feature of cancer genomes, is prognostic, and likely an important determinant of cancer cell biology. In colorectal cancer (CRC), aneuploidy is found in virtually all tumours, including precursor adenomas. However, the temporal evolutionary dynamics that select for aneuploidy remain broadly uncharacterised. Here we perform genomic analysis of 755 samples from a total of 167 patients with colorectal-derived neoplastic lesions that cross-sectionally represent the distinct stages of tumour evolution, and longitudinally track individual tumours through metastasis and treatment. Precancer lesions (adenomas) exhibited low levels of aneuploidy but high intra-tumour heterogeneity, whereas cancers had high aneuploidy but low heterogeneity, indicating that progression is through a genetic bottleneck that suppresses diversity. Individual CRC glands from the same tumour have similar karyotypes, despite prior evidence of ongoing instability at the cell level. Pseudo-stable aneuploid genomes were observed in metastatic lesions sampled from liver and other organs, after chemo- or targeted therapies, and late recurrences detected many years after the diagnosis of a primary tumour. Modelling indicates that these data are consistent with the action of stabilising selection that "traps" cancer cell genomes on a fitness peak defined by the specific pattern of aneuploidy. These data show that the initial progression of CRC requires the traversal of a rugged fitness landscape and subsequent genomic evolution, including metastatic dissemination and therapeutic resistance, is constrained by stabilising selection.

ABSTRACT In the intestine, the homeostatic effect of Bone Morphogenetic Protein (BMP) on cell fate has predominantly been inferred through pathway inactivation. Here, we assessed the impact of autocrine Bmp4 expression on secretory cell fate. Ligand exposure reduced proliferation, expedited terminal differentiation, abrogated long-term secretory cell survival and prevented dedifferentiation. As stem cell plasticity is required for regenerative adaptive reprogramming, we spatiotemporally mapped and functionally explored BMP’s role in epithelial restitution. Following ulceration, physiological attenuation of BMP signalling arose through upregulation of the secreted antagonist, Grem1, from topographically distinct populations of stromal cells. Concomitant expression supported functional compensation, following Grem1 deletion from tissue-resident fibroblasts. BMP pathway manipulation showed that antagonist-mediated BMP attenuation was obligatory, but functionally sub-maximal, as regeneration was impaired or enhanced by epithelial overexpression of Bmp4 or Grem1 respectively. Mechanistically, Bmp4 abrogated regenerative stem cell reprogramming, despite a convergent impact of YAP/TAZ on cell fate in remodelled wounds.

Abstract Twisted gastrulation (TWSG1) is an evolutionarily conserved secreted glycoprotein which controls signaling by Bone Morphogenetic Proteins (BMPs). TWSG1 binds BMPs and their antagonist Chordin to control BMP signaling during embryonic development, kidney regeneration and cancer. We report crystal structures of TWSG1 alone and in complex with a BMP ligand, Growth Differentiation Factor 5. TWSG1 is composed of two distinct, disulfide-rich domains. The TWSG1 N-terminal domain occupies the BMP type 1 receptor binding site on BMPs, whereas the C-terminal domain binds to a Chordin family member. We show that TWSG1 inhibits BMP function in cellular signaling assays and mouse colon organoids. This inhibitory function is abolished in a TWSG1 mutant that cannot bind BMPs. The same mutation in the Drosophila TWSG1 ortholog Tsg fails to mediate BMP gradient formation required for dorsal-ventral axis patterning of the early embryo. Our studies reveal the evolutionarily conserved mechanism of BMP signaling inhibition by TWSG1.

Summary Spatial biology has the potential to unlock information about the disrupted cellular ecosystems that define human disease. Quantitative analysis of spatially-resolved cell interactions allows mapping of tissue self-organisation and assessment of why cells interact differently in physiological and pathological contexts. However, the complexity of mammalian tissues, that occur across a spectrum of length scales, presents significant challenges for spatial analysis, increasing the gap between our capacity to generate and biologically interpret these datasets. Here, we have adapted a range of mathematical tools to develop a suite of spatial descriptors, and deployed them to determine how cell interactions change as colorectal cancer progresses from benign precursors. We demonstrate that combining mathematical analyses permits insightful examination of tissue organisational structures and identifies variable cell-interaction pathways that underpin disease progression. Mathematical tool triangulation can cross-corroborate spatial biology findings, facilitating development of analysis pipelines that are robust to individual method limitations.

Intestinal homeostasis is underpinned by LGR5+ve crypt-base columnar stem cells (CBCs), but following injury, dedifferentiation results in the emergence of LGR5-ve regenerative stem cell populations (RSCs), characterised by fetal transcriptional profiles. Neoplasia hijacks regenerative signalling, so we assessed the distribution of CBCs and RSCs in mouse and human intestinal tumors. Using combined molecular-morphological analysis we demonstrate variable expression of stem cell markers across a range of lesions. The degree of CBC-RSC admixture was associated with both epithelial mutation and microenvironmental signalling disruption, and could be mapped across disease molecular subtypes. The CBC-RSC equilibrium was adaptive, with a dynamic response to acute selective pressure, and adaptability was associated with chemoresistance. We propose a fitness landscape model where individual tumors have equilibrated stem cell population distributions along a CBC-RSC phenotypic axis. Cellular plasticity is represented by position shift along this axis, and is influenced by cell-intrinsic, extrinsic and therapeutic selective pressures.

ABSTRACT WNT/β-catenin signaling endows cancer cells with proliferative capacity and immune-evasive functions that impair anti-cancer immunosurveillance by conventional, cytoxtoic T cells. However, the impact of dysregulated WNT signalling on unconventional, tissue-resident T cells, specifically in colon cancer is unknown. Here, we show that cancer cells in Apc -mutant mouse models escape immunosurveillance from gut-resident intraepithelial lymphocytes (IELs) expressing γδ T cell receptors (γδTCRs). Analysis of late-stage tumors from mice and humans revealed that γδIELs are largely absent from the tumor microenvironment, and that butyrophilin-like (BTNL) molecules, which can critically regulate γδIEL through direct γδTCR-interactions, are also downregulated. We could attribute this to β-catenin stabilization, which rapidly decreased expression of the transcription factors, HNF4A and HNF4G, that we found to bind promoter regions of Btnl genes, thereby driving their expression in normal gut epithelial cells. Indeed, inhibition of β-catenin signaling restored Btnl1 gene expression and γδ T cell infiltration into tumors. These observations highlight an immune-evasion mechanism specific to WNT-driven colon cancer cells that disrupts γδIEL immunosurveillance and furthers cancer progression.