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.

Summary Therapy resistance remains a major clinical challenge for the management of metastatic melanoma. Here we show that activation of the Integrated Stress Response (ISR), which we show is common in drug-tolerant and resistant melanoma, promotes selective synthesis of mitochondrial proteins in the cytosol. Since mitochondrial translation adapts to the influx of nuclear-encoded mitochondrial proteins, ISR activation indirectly enhances mitochondrial translation and makes these cells highly vulnerable to mitochondrial translation inhibitors. Treatment of melanoma with mitoribosome-targeting antibiotics, induces proteotoxic stress and significantly compromises the growth of NRAS -mutant and immunotherapy-resistant skin melanoma as well as uveal melanoma. Additionally, a triple BRAFi/MEKi/Tigecycline combination reduces intratumour heterogeneity by abrogating emergence of dedifferentiated drug-tolerant cells, and delayed or even prevented the development of resistance in BRAF V600E PDX models. Consistently, a melanoma patient exposed to Doxycycline, a mitoribosome-targeting antibiotic commonly used to treat infections, experienced a complete and long-lasting response of a treatment-resistant lesion. Significance Our study indicates that the repurposing of mitoribosome-targeting antibiotics offers a rational salvage strategy for targeted therapy in BRAF -mutant melanoma, and a therapeutic option to target NRAS -driven and immunotherapy-resistant cutaneous melanoma and uveal melanomas.

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 Responses to anticancer therapies in patients with advanced metastatic disease are often lower than 50% and the majority of patients initially responding develop resistance later on. Therapy resistance often follows an adaptation phase in which cancer cells exit the cell cycle and engage the Integrated Stress Response (ISR). Activation of this pathway induces the emergence of drug-tolerant persister cells via the block of CAP-dependent translation while enhancing translation of select mRNAs that support survival, migration and dampen immunogenicity. Little is known about the molecular mechanisms underlying ISR-dependent immune escape. Searching for transcripts specifically associated with polysomes upon ISR activation we identified the lncRNA LISR . We showed that this untranslated transcript, could suppress the production of putative neoantigens, while promoting translation of PD-L1 and other mRNAs involved in the formation of the glycocalyx. Accordingly, LISR locus is amplified in 60% of melanomas and its expression is increased in patients refractory to Immune Checkpoint Blockade (ICB). Consequently, inhibition of LISR stimulated anti-tumour immune responses both in vitro and in humanized and ICB-resistant patient-derived xenografts. This study establishes a link between lncRNAs, translation rewiring in cancer and immunogenicity, and identifies an RNA-based cancer-specific therapeutic strategy to overcome intrinsic resistance to ICB.

Abstract Human tumors are diverse in their natural history and response to treatment, which in part results from genetic and transcriptomic heterogeneity. In clinical practice, single-site needle biopsies are used to sample this diversity, but cancer biomarkers may be confounded by spatiogenomic heterogeneity within individual tumors. Here we investigate clonally expressed genes as a solution to the sampling bias problem by analyzing multiregion whole-exome and RNA sequencing data for 450 tumor regions from 184 patients with lung adenocarcinoma in the TRACERx study. We prospectively validate the survival association of a clonal expression biomarker, Outcome Risk Associated Clonal Lung Expression (ORACLE), in combination with clinicopathological risk factors, and in stage I disease. We expand our mechanistic understanding, discovering that clonal transcriptional signals are detectable before tissue invasion, act as a molecular fingerprint for lethal metastatic clones and predict chemotherapy sensitivity. Lastly, we find that ORACLE summarizes the prognostic information encoded by genetic evolutionary measures, including chromosomal instability, as a concise 23-transcript assay.