Prognostically relevant RNA expression states exist in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), but our understanding of their drivers, stability, and relationship to therapeutic response is limited.To examine these attributes systematically, we profiled metastatic biopsies and matched organoid models at single-cell resolution.In vivo, we identify a new intermediate PDAC transcriptional cell state and uncover distinct site-and state-specific tumor microenvironments (TMEs).Benchmarking models against this reference map, we reveal strong culture-specific biases in cancer cell transcriptional state representation driven by altered TME signals.We restore expression state heterogeneity by adding back in vivo-relevant factors and show plasticity in culture models.Further, we prove that non-genetic modulation of cell state can strongly influence drug responses, uncovering state-specific vulnerabilities.This work provides a broadly applicable framework for aligning cell states across in vivo and ex vivo settings, identifying drivers of transcriptional plasticity and manipulating cell state to target associated vulnerabilities.

SUMMARY Bulk transcriptomic studies have defined classical and basal-like gene expression subtypes in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) that correlate with survival and response to chemotherapy; however, the underlying mechanisms that govern these subtypes and their heterogeneity remain elusive. Here, we performed single-cell RNA-sequencing of 23 metastatic PDAC needle biopsies and matched organoid models to understand how tumor cell-intrinsic features and extrinsic factors in the tumor microenvironment (TME) shape PDAC cancer cell phenotypes. We identify a novel cancer cell state that co-expresses basal-like and classical signatures, demonstrates upregulation of developmental and KRAS-driven gene expression programs, and represents a transitional intermediate between the basal-like and classical poles. Further, we observe structure to the metastatic TME supporting a model whereby reciprocal intercellular signaling shapes the local microenvironment and influences cancer cell transcriptional subtypes. In organoid culture, we find that transcriptional phenotypes are plastic and strongly skew toward the classical expression state, irrespective of genotype. Moreover, we show that patient-relevant transcriptional heterogeneity can be rescued by supplementing organoid media with factors found in the TME in a subtype-specific manner. Collectively, our study demonstrates that distinct microenvironmental signals are critical regulators of clinically relevant PDAC transcriptional states and their plasticity, identifies the necessity for considering the TME in cancer modeling efforts, and provides a generalizable approach for delineating the cell-intrinsic versus -extrinsic factors that govern tumor cell phenotypes.

Summary KRAS G12C inhibitors including adagrasib and sortorasib have shown clinical promise in targeting KRAS G12C -mutated lung cancers, however, most patients eventually develop drug resistance. In lung adenocarcinoma patients with co-occurring KRAS G12C and STK11 / LKB1 mutations, we found a high squamous gene signature at baseline significantly correlated with poor adagrasib response. Through integrative studies of Lkb1 -deficient KRAS G12C and Kras G12D lung cancer mouse models and/or organoids treated with KRAS inhibitors, we found tumor cells invoked a lineage plasticity program: adeno-to-squamous transition (AST) that mediated resistance to KRAS inhibition. Transcriptomic and epigenomic analyses revealed ΔNp63 drives AST and modulates response to KRAS inhibition. We identified an intermediate high-plasticity cell state with distinct gene expression program marked by Krt6a upregulation. Notably, higher KRT6A expression at baseline correlated with shorter overall survival in KRAS -mutant patients receiving adagrasib. These data support the role of AST in KRAS inhibitor resistance and provide predictive biomarker for KRAS-targeted therapies in lung cancer.