Abstract The phenomenon of mixed/heterogenous treatment responses to cancer therapies within an individual patient presents a challenging clinical scenario. Furthermore, the molecular basis of mixed intra-patient tumor responses remains unclear. Here, we show that patients with metastatic lung adenocarcinoma harbouring co-mutations of EGFR and TP53 , are more likely to have mixed intra-patient tumor responses to EGFR tyrosine kinase inhibition (TKI), compared to those with an EGFR mutation alone. The combined presence of whole genome doubling (WGD) and TP53 co-mutations leads to increased genome instability and genomic copy number aberrations in genes implicated in EGFR TKI resistance. Using mouse models and an in vitro isogenic p53 -mutant model system, we provide evidence that WGD provides diverse routes to drug resistance by increasing the probability of acquiring copy-number gains or losses relative to non-WGD cells. These data provide a molecular basis for mixed tumor responses to targeted therapy, within an individual patient, with implications for therapeutic strategies.

Patient-derived xenograft (PDX) models are widely used in cancer research. To investigate the genomic fidelity of non-small cell lung cancer PDX models, we established 48 PDX models from 22 patients enrolled in the TRACERx study. Multi-region tumor sampling increased successful PDX engraftment and most models were histologically similar to their parent tumor. Whole-exome sequencing enabled comparison of tumors and PDX models and we provide an adapted mouse reference genome for improved removal of NOD scid gamma (NSG) mouse-derived reads from sequencing data. PDX model establishment caused a genomic bottleneck, with models often representing a single tumor subclone. While distinct tumor subclones were represented in independent models from the same tumor, individual PDX models did not fully recapitulate intratumor heterogeneity. On-going genomic evolution in mice contributed modestly to the genomic distance between tumors and PDX models. Our study highlights the importance of considering primary tumor heterogeneity when using PDX models and emphasizes the benefit of comprehensive tumor sampling.

Abstract Gut-draining mesenteric lymph nodes (mLN) provide the framework and microenvironment to shape intestinal adaptive immune responses. We previously delineated transcriptional signatures in LN stromal cells (SC), pointing to tissue-specific variability in composition and immuno-modulatory function of SCs. Here, we dissect the tissue-specific epigenomic DNA accessibility and CpG methylation landscape of LN non-endothelial SCs and identify a microbiota-independent core epigenomic signature of LN SCs. By combined analysis of transcription factor (TF) binding sites together with the gene expression profiles of non-endothelial SCs, we delineated TFs poising skin-draining peripheral LN (pLN) SCs for pro-inflammatory responses. Furthermore, using scRNA-seq, we dissected the developmental trajectory of mLN SCs derived from postnatal to aged mice, identifying two distinct putative progenitors, namely CD34 + SC and fibroblastic reticular stromal cell (FRC) progenitors, which both feed the rapid postnatal LN expansion. Finally, we identified Irf3 as a key differentiation TF inferred from the epigenomic signature of mLN SCs that is dynamically expressed along the differentiation trajectories of FRCs, and validated Irf3 as a regulator of Cxcl9 + FRC differentiation. Together, our data constitute a comprehensive transcriptional and epigenomic map of mLN development and dissect location-specific, microbiota-independent properties of mLN non-endothelial SCs. As such, our findings represent a valuable resource to identify core transcriptional regulators that impinge on the developing mLN early in life, thereby shaping long-lasting intestinal adaptive immune responses.

Abstract A central goal of cancer research is the identification of cancer genes that drive tumour growth and progression. Existing approaches to this problem typically leverage frequentist approaches based on patterns of somatic mutagenesis in DNA. Here, we interrogate RNA variant allele frequencies to identify putative cancer genes with a novel computational tool, RVdriver , from bulk genomic-transcriptomic data within 7,948 paired exomes and transcriptomes across 30 cancer types. An elevated RNA VAF reflects a signal from multiple biological features: clonal mutations; mutations retained or gained during somatic copy-number alterations; mutations favoured by allele-specific expression; and mutations in genes expressed preferentially by the tumour compartment of admixed bulk samples. RVdriver , a statistical approach that classifies RNA VAFs of nonsynonymous mutations relative to a synonymous mutation background, leverages this information to identify known, as well as putatively novel, cancer genes, with comparable performance to DNA-based approaches. Furthermore, we demonstrate RNA VAFs of individual mutations are able to distinguish ‘driver’ from ‘passenger’ mutations within established cancer genes. Low-RNA VAF EGFR mutations otherwise annotated as drivers of glioblastoma by DNA tools harbour a phenotype of reduced EGFR signalling, whilst high-RNA VAF KDM6A mutations otherwise annotated as passengers exhibit a driver-like H3K27me3 expression profile, demonstrating the value of our approach in phenotyping tumours. Overall, our study showcases a novel approach for cancer gene discovery, and highlights the potential value of multi-omic and systems-biology approaches in finding novel therapeutic vulnerabilities in cancer to bring about patient benefit.

Abstract Adipose stem and precursor cells (ASPCs) give rise to adipocytes and determine the composition and plasticity of adipose tissue. Recently, several studies have demonstrated that ASPCs partition into at least three distinct cell subpopulations: Dpp4 + stem-like cells, Aoc 3+ pre-adipocyte-like cells, and the enigmatic CD142+ cells. A great challenge now is to functionally characterize these distinct ASPC populations. Here, we focus on CD142+ ASPCs since discrepant properties have been assigned to this subpopulation, from adipogenic to non- and even anti-adipogenic. To address these inconsistencies, we comprehensively characterized mammalian subcutaneous CD142+ ASPCs across various sampling conditions. Our findings demonstrate that CD142+ ASPCs exhibit high molecular and phenotypic robustness, firmly supporting their non- and anti-adipogenic properties. However, these properties emerge in an age-dependent manner, revealing surprising temporal CD142+ ASPC behavioural alterations. Finally, using multi-omic and functional assays, we show that the inhibitory nature of these adipogenesis-regulatory CD142+ ASPCs (Aregs) is driven by specifically expressed secretory factors that cooperate with the retinoic acid signalling pathway to transform the adipogenic state of CD142− ASPCs into a non-adipogenic, Areg-like one.

The Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP) serves as a valuable resource to better understand the genetic landscapes underlying quantitative traits. However, such DGRP studies have so far only focused on nuclear genetic variants. To address this, we sequenced the mitochondrial genomes of >170 DGRP lines, identifying 229 variants including 21 indels and 7 frameshifts. We used our mitochondrial variation data to identify 12 genetically distinct mitochondrial haplotypes, thus revealing important population structure at the mitochondrial level. We further examined whether this population structure was reflected on the nuclear genome by screening for the presence of potential mito-nuclear genetic incompatibilities in the form of significant genotype ratio distortions (GRDs) between mitochondrial and nuclear variants. In total, we detected a remarkable 1,845 mito-nuclear GRDs, with the highest enrichment observed in a 40 kb region around the gene Sex-lethal (Sxl). Intriguingly, downstream phenotypic analyses did not uncover major fitness effects associated with these GRDs, suggesting that a large number of mito-nuclear GRDs may reflect population structure at the mitochondrial level rather than actual genomic incompatibilities. This is further supported by the GRD landscape showing particular large genomic regions associated with a single mitochondrial haplotype. Next, we explored the functional relevance of the detected mitochondrial haplotypes through an association analysis on a set of 259 assembled, non-correlating DGRP phenotypes. We found multiple significant associations with stress- and metabolism-related phenotypes, including food intake in males. We validated the latter observation by reciprocal swapping of mitochondrial genomes from high food intake DGRP lines to low food intake ones. In conclusion, our study uncovered important mitochondrial population structure and haplotype-specific metabolic variation in the DGRP, thus demonstrating the significance of incorporating mitochondrial haplotypes in geno-phenotype relationship studies.

Summary Eukaryotic genomes encode several well-studied buffering mechanisms that robustly maintain invariant phenotypic outcome despite fluctuating environmental conditions. Here we show that the gut microbiota, represented by a single Drosophila facultative symbiont, Lactobacillus plantarum ( Lp WJL ), acts also as a broad genetic buffer that masks the contribution of the cryptic genetic variations in the host under nutritional stress. During chronic under-nutrition, Lp WJL consistently reduces variation in different host phenotypic traits and ensures robust organ patterning; Lp WJL also decreases genotype-dependent expression variation, particularly for development-associated genes. We further demonstrate that Lp WJL buffers via reactive oxygen species (ROS) signaling whose inhibition severely impairs microbiota-mediated phenotypic robustness. We thus identified an unexpected contribution of facultative symbionts to Drosophila fitness by assuring developmental robustness and phenotypic homogeneity in times of nutritional stress.

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a major contributor to treatment resistance and poor outcome for patients with cancer 1,2 . Here we examine the diversity of ecDNA elements across cancer, revealing the associated tissue, genetic and mutational contexts. By analysing data from 14,778 patients with 39 tumour types from the 100,000 Genomes Project, we demonstrate that 17.1% of tumour samples contain ecDNA. We reveal a pattern highly indicative of tissue-context-based selection for ecDNAs, linking their genomic content to their tissue of origin. We show that not only is ecDNA a mechanism for amplification of driver oncogenes, but it also a mechanism that frequently amplifies immunomodulatory and inflammatory genes, such as those that modulate lymphocyte-mediated immunity and immune effector processes. Moreover, ecDNAs carrying immunomodulatory genes are associated with reduced tumour T cell infiltration. We identify ecDNAs bearing only enhancers, promoters and lncRNA elements, suggesting the combinatorial power of interactions between ecDNAs in trans . We also identify intrinsic and environmental mutational processes linked to ecDNA, including those linked to its formation, such as tobacco exposure, and progression, such as homologous recombination repair deficiency. Clinically, ecDNA detection was associated with tumour stage, more prevalent after targeted therapy and cytotoxic treatments, and associated with metastases and shorter overall survival. These results shed light on why ecDNA is a substantial clinical problem that can cooperatively drive tumour growth signals, alter transcriptional landscapes and suppress the immune system.