Christina Curtis, Darryl Shibata and colleagues report genomic profiling of 349 individual glands sampled from 15 human colorectal tumors. They observe high within-tumor heterogeneity and mixing of subclones in distant tumor regions, supporting a model whereby tumor growth occurs predominantly as a single expansion, with most detectable subclonal mutations arising during the earliest phases of tumor growth. What happens in early, still undetectable human malignancies is unknown because direct observations are impractical. Here we present and validate a 'Big Bang' model, whereby tumors grow predominantly as a single expansion producing numerous intermixed subclones that are not subject to stringent selection and where both public (clonal) and most detectable private (subclonal) alterations arise early during growth. Genomic profiling of 349 individual glands from 15 colorectal tumors showed an absence of selective sweeps, uniformly high intratumoral heterogeneity (ITH) and subclone mixing in distant regions, as postulated by our model. We also verified the prediction that most detectable ITH originates from early private alterations and not from later clonal expansions, thus exposing the profile of the primordial tumor. Moreover, some tumors appear 'born to be bad', with subclone mixing indicative of early malignant potential. This new model provides a quantitative framework to interpret tumor growth dynamics and the origins of ITH, with important clinical implications.

Both the timing and molecular determinants of metastasis are unknown, hindering treatment and prevention efforts. Here we characterize the evolutionary dynamics of this lethal process by analyzing exome-sequencing data from 118 biopsies from 23 patients with colorectal cancer with metastases to the liver or brain. The data show that the genomic divergence between the primary tumor and metastasis is low and that canonical driver genes were acquired early. Analysis within a spatial tumor growth model and statistical inference framework indicates that early disseminated cells commonly (81%, 17 out of 21 evaluable patients) seed metastases while the carcinoma is clinically undetectable (typically, less than 0.01 cm3). We validated the association between early drivers and metastasis in an independent cohort of 2,751 colorectal cancers, demonstrating their utility as biomarkers of metastasis. This conceptual and analytical framework provides quantitative in vivo evidence that systemic spread can occur early in colorectal cancer and illuminates strategies for patient stratification and therapeutic targeting of the canonical drivers of tumorigenesis.

Abstract The earliest events during human tumour initiation, although poorly characterized, may hold clues to malignancy detection and prevention 1 . Here we model occult preneoplasia by biallelic inactivation of TP53 , a common early event in gastric cancer, in human gastric organoids. Causal relationships between this initiating genetic lesion and resulting phenotypes were established using experimental evolution in multiple clonally derived cultures over 2 years. TP53 loss elicited progressive aneuploidy, including copy number alterations and structural variants prevalent in gastric cancers, with evident preferred orders. Longitudinal single-cell sequencing of TP53- deficient gastric organoids similarly indicates progression towards malignant transcriptional programmes. Moreover, high-throughput lineage tracing with expressed cellular barcodes demonstrates reproducible dynamics whereby initially rare subclones with shared transcriptional programmes repeatedly attain clonal dominance. This powerful platform for experimental evolution exposes stringent selection, clonal interference and a marked degree of phenotypic convergence in premalignant epithelial organoids. These data imply predictability in the earliest stages of tumorigenesis and show evolutionary constraints and barriers to malignant transformation, with implications for earlier detection and interception of aggressive, genome-instable tumours.

Abstract The earliest events during human tumor initiation, while poorly characterized, may hold clues to malignancy detection and prevention 1 . Here we model occult pre-neoplasia by bi-allelically inactivating TP53 , a common early event in gastric cancer, in human gastric organoids. Causal relationships between this initiating genetic lesion and resulting phenotypes were established using experimental evolution in multiple clonally derived cultures over two years. TP53 loss elicited progressive aneuploidy, including copy number alterations and structural variants prevalent in gastric cancers, with evident preferred orders. Longitudinal single cell sequencing of TP53 deficient gastric organoids similarly indicates progression towards malignant transcriptional programs. Moreover, high-throughput lineage tracing with expressed cellular barcodes demonstrates reproducible dynamics whereby initially rare subclones with shared transcriptional programs repeatedly attain clonal dominance. This powerful platform for experimental evolution exposes stringent selection, clonal interference, and a striking degree of phenotypic convergence in pre-malignant epithelial organoids. These data imply predictability in the earliest stages of tumorigenesis and reveal evolutionary constraints and barriers to malignant transformation with implications for earlier detection and interception of aggressive, genome instable tumors.

SUMMARY Somatic copy number gains are pervasive in many cancer types, yet their roles in oncogenesis are often poorly explored. This lack of understanding is in part due to broad extensions of copy gains across cancer genomes spanning large chromosomal regions, obscuring causal driver loci. Here we employed a multi-tissue pan-organoid modeling approach to validate candidate oncogenic loci identified within pan-cancer TCGA data by the overlap of extreme copy number amplifications with extreme expression dysregulation for each gene. The candidate outlier loci nominated by this integrative computational analysis were functionally validated by infecting cancer type-specific barcoded full length cDNA lentiviral libraries into cognate minimally transformed human and mouse organoids bearing initial oncogenic mutations from esophagus, oral cavity, colon, stomach, pancreas and lung. Presumptive amplification oncogenes were identified by barcode enrichment as a proxy for increased proliferation. Iterative analysis validated DYRK2 at 12q15, encoding a serine-threonine kinase, as an amplified head and neck squamous carcinoma oncogene in p53 -/- oral mucosal organoids. Similarly, FGF3 , amplified at 11q13 in 41% of esophageal squamous carcinomas, was validated in p53 -/- esophageal organoids in vitro and in vivo with pharmacologic inhibition by small molecule and soluble receptor FGFR antagonists. Our studies establish the feasibility of pan-organoid contextual modeling of pan-cancer candidate genomic drivers, enabling oncogene discovery and preclinical therapeutic modeling.

Breast cancer is a highly heterogeneous disease whose prognosis and treatment as defined by the expression of three receptors—oestrogen receptor (ER), progesterone receptor and human epidermal growth factor receptor 2 (HER2; encoded by ERBB2)—is insufficient to capture the full spectrum of clinical outcomes and therapeutic vulnerabilities. Previously, we demonstrated that transcriptional and genomic profiles define eleven integrative subtypes with distinct clinical outcomes, including four ER+ subtypes with increased risk of relapse decades after diagnosis1,2. Here, to determine whether these subtypes reflect distinct evolutionary histories, interactions with the immune system and pathway dependencies, we established a meta-cohort of 1,828 breast tumours spanning pre-invasive, primary invasive and metastatic disease with whole-genome and transcriptome sequencing. We demonstrate that breast tumours fall along a continuum constrained by three genomic archetypes. The ER+ high-risk integrative subgroup is characterized by complex focal amplifications, similar to HER2+ tumours, including cyclic extrachromosomal DNA amplifications induced by ER through R-loop formation and APOBEC3B-editing, which arise in pre-invasive lesions. By contrast, triple-negative tumours exhibit genome-wide instability and tandem duplications and are enriched for homologous repair deficiency-like signatures, whereas ER+ typical-risk tumours are largely genomically stable. These genomic archetypes, which replicate in an independent cohort of 2,659 primary tumours, are established early during tumorigenesis, sculpt the tumour microenvironment and are conserved in metastatic disease. These complex structural alterations contribute to replication stress and immune evasion, and persist throughout tumour evolution, unveiling potential vulnerabilities. A study identifies three dominant genomic archetypes of breast cancer induced by discrete mutational processes, describing a continuum of genomic profiles and detailing the mechanisms underlying the progression of breast cancer.

Metastasis is the primary cause of cancer-related deaths, but the natural history, clonal evolution and impact of treatment are poorly understood. We analyzed exome sequencing data from 457 paired primary tumor and metastatic samples from 136 breast, colorectal and lung cancer patients, including untreated (n=99) and treated (n=100) metastatic tumors. Treated metastases often harbored private ‘driver’ mutations whereas untreated metastases did not, suggesting that treatment promotes clonal evolution. Polyclonal seeding was common in untreated lymph node metastases (n=17/29, 59%) and distant metastases (n=20/70, 29%), but less frequent in treated distant metastases (n=9/94, 10%). The low number of metastasis-private clonal mutations is consistent with early metastatic seeding, which we estimated commonly occurred 2-4 years prior to diagnosis across these cancers. Further, these data suggest that the natural course of metastasis is selectively relaxed relative to early tumor development and that metastasis-private mutations are not drivers of cancer spread but instead associated with drug resistance.