Using high-coverage targeted next-generation sequencing, this report provides a catalog of genetic alterations in colorectal and lung cancers, identifying previously unknown alterations, such as JAK2 mutations and KIF5B-RET fusions, that may represent druggable targets. Applying a next-generation sequencing assay targeting 145 cancer-relevant genes in 40 colorectal cancer and 24 non–small cell lung cancer formalin-fixed paraffin-embedded tissue specimens identified at least one clinically relevant genomic alteration in 59% of the samples and revealed two gene fusions, C2orf44-ALK in a colorectal cancer sample and KIF5B-RET in a lung adenocarcinoma. Further screening of 561 lung adenocarcinomas identified 11 additional tumors with KIF5B-RET gene fusions (2.0%; 95% CI 0.8–3.1%). Cells expressing oncogenic KIF5B-RET are sensitive to multi-kinase inhibitors that inhibit RET.

The analysis of cell-free DNA (cfDNA) in plasma represents a rapidly advancing field in medicine, providing information on pathological processes in the body. Blood cfDNA is in the form of nucleosomes, which maintain their tissue- and cancer-specific epigenetic state. We developed EPINUC, a single-molecule multi-parametric assay to comprehensively profile the E pigenetics of P lasma I solated Nuc leosomes, DNA methylation and cancer-specific protein biomarkers. Our system allows high-resolution detection of six active and repressive histone modifications, their ratios and combinatorial patterns, on millions of individual nucleosomes by single-molecule imaging. In addition, it provides sensitive and quantitative data on plasma proteins, including detection of non-secreted tumor-specific proteins such as mutant p53. Applying this analysis to a cohort of plasma samples detected colorectal cancer at high accuracy and sensitivity, even at early stages. Finally, combining EPINUC with direct single-molecule DNA sequencing revealed the tissue-of-origin of colorectal, pancreatic, lung and breast tumors. EPINUC provides multi-layered clinical-relevant information from limited liquid biopsy material, establishing a novel approach for cancer diagnostics.

Abstract Small cell lung cancer (SCLC) is an aggressive malignancy with exceptionally poor prognosis and limited therapeutic advances in the past few decades. Although SCLCs are treated as a single disease entity in clinic, emerging data support subtypes of SCLC driven by expression of distinct transcription regulators, which engender unique therapeutic vulnerabilities. However, the translational potential of these observations is limited by access to tumor biopsies. Here, we apply chromatin immunoprecipitation of cell-free nucleosomes carrying active chromatin modifications followed by sequencing (cfChIP-seq) to 286 plasma samples from patients with advanced SCLC, non-SCLC cancers, and healthy adults. In addition to providing reliable estimates of SCLC circulating free DNA (cfDNA) tumor fraction, cfChIP-seq recovers the unique epigenetic states of SCLC tissue and cells of origin, and importantly tumor gene expression. Comparison of cfChIP-seq signals to matched tumor transcriptomes shows genome-wide concordance presenting a direct link between gene expression in the tumor and plasma cell-free nucleosomes. We devise a classifier that discriminates between SCLC lineage-defining transcription factor subtypes based on cfChIP-seq assay. This work sets the stage to non-invasively profile SCLC transcriptomes using plasma cfDNA histone modifications.

ABSTRACT SLAMF6 is a homotypic receptor of the Ig-superfamily associated with progenitor exhausted T cells. In humans, SLAMF6 has three splice isoforms involving its V-domain. While the canonical 8-exon receptor inhibits T cell activation through SAP recruitment, the short isoform SLAMF6 Δ17-65 has a strong agonistic effect. The costimulatory action depends on protein phosphatase SHP-1 and leads to a cytotoxic molecular profile governed by transcription factors Tbet, Runx3, and Tcf7. In T cells from individual patients treated with immune checkpoint blockade, a shift was noted towards SLAMF6 Δ17-65 . Splice-switching antisense oligonucleotides designed to target the SLAMF6 splice junction, enhanced SLAMF6 Δ17-65 in human tumor-infiltrating lymphocytes and improved their capacity to inhibit human melanoma in mice. The possible emergence of two opposing isoforms from the SLAMF6 gene may represent an immune-modulatory mechanism that can be exploited for cancer immunotherapy.

Blood cell-free DNA (cfDNA) is derived from fragmented chromatin in dying cells. As such, it remains associated with histones that may retain the covalent modifications present in the cell of origin. Until now this rich epigenetic information carried by cell-free nucleosomes has not been explored at the genome level. Here, we perform ChIP-seq of cell free nucleosomes (cfChIP-seq) directly from human blood plasma to sequence DNA fragments from nucleosomes carrying specific chromatin marks. We assay a cohort of healthy subjects and patients and use cfChIP-seq to generate rich sequencing libraries from low volumes of blood. We find that cfChIP-seq of chromatin marks associated with active transcription recapitulates ChIP-seq profiles of the same marks in the tissue of origin, and reflects gene activity in these cells of origin. We demonstrate that cfChIP-seq detects changes in expression programs in patients with heart and liver injury or cancer. cfChIP-seq opens a new window into normal and pathologic tissue dynamics with far-reaching implications for biology and medicine.

SLAMF6 is a homotypic receptor of the Ig-superfamily whose exact role in immune modulation has remained elusive. Its constitutive expression on resting and activated T cells precludes it from being a bona fide exhaustion marker. By breeding Pmel-1 mice with SLAMF6 KO mice, we generated donors for T cells lacking SLAMF6 and expressing a transgenic TCR for gp100-melanoma antigen. Activated Pmel-1xSLAMF6 KO CD8 T cells displayed improved polyfunctionality and strong tumor cytolysis. T-bet was the dominant transcription factor in Pmel-1xSLAMF6 KO cells, and upon activation, they acquired an effector-memory phenotype. Blocking LAG-3 improved the function of SLAMF6 deficient T cells even further. Finally, adoptive transfer of Pmel-1xSLAMF6 KO T cells into melanoma-bearing mice resulted in lasting tumor regression in contrast to temporary responses achieved with Pmel-1 T cells. These results support the notion that SLAMF6 is an inhibitory immune receptor whose absence enables powerful CD8 T cells to eradicate tumors.