Single-cell transcriptomic analysis is widely used to study human tumors. However, it remains challenging to distinguish normal cell types in the tumor microenvironment from malignant cells and to resolve clonal substructure within the tumor. To address these challenges, we developed an integrative Bayesian segmentation approach called copy number karyotyping of aneuploid tumors (CopyKAT) to estimate genomic copy number profiles at an average genomic resolution of 5 Mb from read depth in high-throughput single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) data. We applied CopyKAT to analyze 46,501 single cells from 21 tumors, including triple-negative breast cancer, pancreatic ductal adenocarcinoma, anaplastic thyroid cancer, invasive ductal carcinoma and glioblastoma, to accurately (98%) distinguish cancer cells from normal cell types. In three breast tumors, CopyKAT resolved clonal subpopulations that differed in the expression of cancer genes, such as KRAS, and signatures, including epithelial-to-mesenchymal transition, DNA repair, apoptosis and hypoxia. These data show that CopyKAT can aid in the analysis of scRNA-seq data in a variety of solid human tumors. Clonal subpopulations in human tumors are identified from single-cell RNA-seq data.

Antiangiogenic therapy resistance occurs frequently in patients with metastatic renal cell carcinoma (RCC). The purpose of this study was to understand the mechanism of resistance to sunitinib, an antiangiogenic small molecule, and to exploit this mechanism therapeutically. We hypothesized that sunitinib-induced upregulation of the prometastatic MET and AXL receptors is associated with resistance to sunitinib and with more aggressive tumor behavior. In the present study, tissue microarrays containing sunitinib-treated and untreated RCC tissues were stained with MET and AXL antibodies. The low malignant RCC cell line 786-O was chronically treated with sunitinib and assayed for AXL, MET, epithelial-mesenchymal transition (EMT) protein expression and activation. Co-culture experiments were used to examine the effect of sunitinib pretreatment on endothelial cell growth. The effects of AXL and MET were evaluated in various cell-based models by short hairpin RNA or inhibition by cabozantinib, the multi-tyrosine kinases inhibitor that targets vascular endothelial growth factor receptor, MET and AXL. Xenograft mouse models tested the ability of cabozantinib to rescue sunitinib resistance. We demonstrated that increased AXL and MET expression was associated with inferior clinical outcome in patients. Chronic sunitinib treatment of RCC cell lines activated both AXL and MET, induced EMT-associated gene expression changes, including upregulation of Snail and β-catenin, and increased cell migration and invasion. Pretreatment with sunitinib enhanced angiogenesis in 786-0/human umbilical vein endothelial cell co-culture models. The suppression of AXL or MET expression and the inhibition of AXL and MET activation using cabozantinib both impaired chronic sunitinib treatment-induced prometastatic behavior in cell culture and rescued acquired resistance to sunitinib in xenograft models. In summary, chronic sunitinib treatment induces the activation of AXL and MET signaling and promotes prometastatic behavior and angiogenesis. The inhibition of AXL and MET activity may overcome resistance induced by prolonged sunitinib therapy in metastatic RCC.

Abstract High-throughput methods for single cell copy number sequencing have enabled the profiling of thousands of cells in parallel, yet there remains a significant bottleneck for data analysis. Here we present CopyKit, a comprehensive set of computational methods for the pre-processing and analysis of single cell copy number data to resolve clonal substructure and reconstruct genetic lineages in tumors. We performed single cell DNA sequencing of 2977 cells from multiple spatial regions in two liver metastasis and 7365 cells from three primary tumors with matched metastatic tissues. In the liver metastases, CopyKit resolved clonal substructure in different spatial regions, which revealed both clonal intermixing and spatial segregation in the tumor mass. In the matched metastatic colorectal and breast cancers, CopyKit resolved metastatic lineages and identified subclones and genomic events that were associated with metastases. These applications show that CopyKit is comprehensive tool for resolving copy number substructure in tumors.

Summary Unsupervised clustering and deconvolution analysis identifies a novel subtype of M-CRPC endowed with hybrid epithelial/mesenchymal (E/M) and luminal progenitor-like traits (Mesenchymal and Stem-like PC, MSPC). Analysis of patient datasets and mechanistic studies indicate that MSPC arises as a consequence of therapy-induced lineage plasticity. AR blockade instigates two separate and complementary processes: 1) transcriptional silencing of TP53 and hence acquisition of hybrid E/M and stem-like traits; and 2) inhibition of the BMP signaling, which promotes resistance to the pro-apoptotic and anti-proliferative effects of AR inhibition. The drug-tolerant prostate cancer cells generated through reprogramming are rescued by neuregulin and generate metastases in mice. Combined inhibition of HER2/3 and AR or mTORC1 exhibit efficacy in preclinical models of mixed ARPC/MSPC or MSPC, respectively. These results identify a novel subtype of M-CRPC, trace its origin to therapy-induced lineage plasticity, and reveal its dependency on HER2/3 signaling.