Abstract Methylation patterns of circulating cell-free DNA (cfDNA) contain rich information about recent cell death events in the body. Here, we present an approach for unbiased determination of the tissue origins of cfDNA, using a reference methylation atlas of 25 human tissues and cell types. The method is validated using in silico simulations as well as in vitro mixes of DNA from different tissue sources at known proportions. We show that plasma cfDNA of healthy donors originates from white blood cells (55%), erythrocyte progenitors (30%), vascular endothelial cells (10%) and hepatocytes (1%). Deconvolution of cfDNA from patients reveals tissue contributions that agree with clinical findings in sepsis, islet transplantation, cancer of the colon, lung, breast and prostate, and cancer of unknown primary. We propose a procedure which can be easily adapted to study the cellular contributors to cfDNA in many settings, opening a broad window into healthy and pathologic human tissue dynamics.

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.

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.

•PI3K pathway activation is a known resistance mechanism to HER2-directed therapy in metastatic HER2+ breast cancer.•The combination of taselisib plus anti-HER2 therapies was active, but was associated with considerable toxicities.•Patients with wild-type PIK3CA in circulating tumor DNA had favorable outcomes, especially with hormone receptor-positive tumors.•The addition of taselisib to T-DM1 led to substantial benefit in patients who progressed on previous T-DM1 treatment.•PIK3CA targeting might re-sensitize HER2+ breast tumors to antibody–drug conjugates. BackgroundIn most patients with advanced human epidermal growth factor receptor-2-positive (HER2+) breast cancer, anti-HER2 therapies fail due to the development of acquired resistance, potentially mediated through phosphoinositide-3-kinase (PI3K) signaling. We investigated adding taselisib, an α-selective potent oral inhibitor of PI3K, to different HER2-directed regimens in order to improve disease control.Patients and methodsPatients (n = 68) with advanced HER2+ breast cancer were enrolled to this open-label, dose-escalation phase Ib study. The primary endpoint was defining the maximal tolerated dose (MTD) for the various taselisib-containing combinations. The secondary endpoint was safety. Exploratory endpoints included circulating tumor DNA analysis. The study included four cohorts: (A) taselisib + trastuzumab emtansine (T-DM1), (C) taselisib + trastuzumab and pertuzumab (TP), (D) taselisib + TP + paclitaxel, and (E) taselisib + TP + fulvestrant.ResultsFollowing dose escalation, the taselisib MTD was defined as 4 mg once daily. Treatment was associated with significant toxicities, as 34 out of 68 patients experienced grade ≥3 adverse events (AEs) attributed to taselisib, the most common all-grade AEs being diarrhea, fatigue, and oral mucositis. At a median follow-up of 43.8 months, median progression-free survival (PFS) for the MTD-treated population in cohorts A, C, and E was 6.3 [95% confidence interval (CI) 3.2-not applicable (NA)] months, 1.7 (95% CI 1.4-NA) months, and 10.6 (95% CI 8.3-NA) months, respectively. The median PFS for patients in cohort A with prior T-DM1 use was 10.4 (95% CI 2.7-NA) months.ConclusionsPIK3CA targeting with taselisib in combination with HER2-targeted therapies was associated with both promising efficacy and substantial toxicities. In most patients with advanced human epidermal growth factor receptor-2-positive (HER2+) breast cancer, anti-HER2 therapies fail due to the development of acquired resistance, potentially mediated through phosphoinositide-3-kinase (PI3K) signaling. We investigated adding taselisib, an α-selective potent oral inhibitor of PI3K, to different HER2-directed regimens in order to improve disease control. Patients (n = 68) with advanced HER2+ breast cancer were enrolled to this open-label, dose-escalation phase Ib study. The primary endpoint was defining the maximal tolerated dose (MTD) for the various taselisib-containing combinations. The secondary endpoint was safety. Exploratory endpoints included circulating tumor DNA analysis. The study included four cohorts: (A) taselisib + trastuzumab emtansine (T-DM1), (C) taselisib + trastuzumab and pertuzumab (TP), (D) taselisib + TP + paclitaxel, and (E) taselisib + TP + fulvestrant. Following dose escalation, the taselisib MTD was defined as 4 mg once daily. Treatment was associated with significant toxicities, as 34 out of 68 patients experienced grade ≥3 adverse events (AEs) attributed to taselisib, the most common all-grade AEs being diarrhea, fatigue, and oral mucositis. At a median follow-up of 43.8 months, median progression-free survival (PFS) for the MTD-treated population in cohorts A, C, and E was 6.3 [95% confidence interval (CI) 3.2-not applicable (NA)] months, 1.7 (95% CI 1.4-NA) months, and 10.6 (95% CI 8.3-NA) months, respectively. The median PFS for patients in cohort A with prior T-DM1 use was 10.4 (95% CI 2.7-NA) months. PIK3CA targeting with taselisib in combination with HER2-targeted therapies was associated with both promising efficacy and substantial toxicities.

Methylation patterns of circulating cell-free DNA (cfDNA) contain rich information about recent cell death events in the body. Here, we present an approach for unbiased determination of the tissue origins of cfDNA, using a reference methylation atlas of 25 human tissues and cell types. The method is validated using in silico simulations as well as in vitro mixes of DNA from different tissue sources at known proportions. We show that plasma cfDNA of healthy donors originates from white blood cells (55%), erythrocyte progenitors (30%), vascular endothelial cells (10%) and hepatocytes (1%). Deconvolution of cfDNA from patients reveals tissue contributions that agree with clinical findings in sepsis, islet transplantation, cancer of the colon, lung, breast and prostate, and cancer of unknown primary. We propose a procedure which can be easily adapted to study the cellular contributors to cfDNA in many settings, opening a broad window into healthy and pathologic human tissue dynamics.

Abstract The ESR1 ligand binding domain activating mutations are the most prevalent genetic mechanism of acquired endocrine resistance in metastatic hormone receptor-positive breast cancer. These mutations confer endocrine resistance that remains estrogen receptor (ER) dependent. We hypothesized that in the presence of the ER mutations, continued ER blockade with endocrine therapies that target mutant ER is essential for tumor suppression even with chemotherapy treatment. Here, we conducted comprehensive pre-clinical in vitro and in vivo experiments testing the efficacy of adding fulvestrant to fluorouracil (5FU) and the 5FU pro-drug, capecitabine, in models of wild-type (WT) and mutant ER. Our findings revealed that while this combination had an additive effect in the presence of WT-ER, in the presence of the Y537S ER mutation there was synergy. Notably, these effects were not seen with the combination of 5FU and selective estrogen receptor modulators, such as tamoxifen, or in the absence of intact P53. Likewise, in a patient-derived xenograft (PDX) harboring a Y537S ER mutation the addition of fulvestrant to capecitabine potentiated tumor suppression. Moreover, multiplex immunofluorescence revealed that this effect was due to decreased cell proliferation in all cells expressing ER and was not dependent on the degree of ER expression. Taken together, these results support the clinical investigation of the combination of ER antagonists with capecitabine in patients with metastatic hormone receptor-positive breast cancer who have experienced progression on endocrine therapy and targeted therapies, particularly in the presence of an ESR1 activating mutation.

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.