Abstract Precision medicine approaches in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) are imperative for improving disease outcomes. However, the long-term fidelity of recently deployed ex vivo preclinical platforms, such as patient-derived organoids (PDOs) remains unknown. Through single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), we identify substantial transcriptomic evolution of PDOs propagated from the parental tumor, which may alter predicted drug sensitivity. In contrast, scRNA-seq is readily applicable to limited biopsies from human primary and metastatic PDAC and identifies most cancers as being an admixture of previously described epithelial transcriptomic subtypes. Integrative analyses of our data provide an in-depth characterization of the heterogeneity within the tumor microenvironment, including cancer-associated fibroblast (CAF) subclasses, and predicts for a multitude of ligand-receptor interactions, revealing potential targets for immunotherapy approaches. While PDOs continue to enable prospective therapeutic prediction, our analysis also demonstrates the complementarity of using orthogonal de novo biopsies from PDAC patients paired with scRNA-seq to inform clinical decision-making. Statement of Significance The application of single-cell RNA sequencing to diagnostic pancreatic cancer biopsies provides in-depth transcriptomic characterization of the tumor epithelium and microenvironment, while minimizing potential artifacts introduced by an intervening ex vivo passaging step. Thus, this approach can complement the use of patient-derived organoids in implementing precision oncology.

Abstract Intratumoral heterogeneity (ITH) is a hallmark of cancer. The advent of single-cell technologies has helped uncover ITH in a high-throughput manner in different cancers across varied contexts. Here we apply single-cell sequencing technologies to reveal striking ITH in assumptively oligoclonal pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) cell lines. Our findings reveal a high degree of both genomic and transcriptomic heterogeneity in established and globally utilized PDAC cell lines, custodial variation induced by growing apparently identical PDAC cell lines in different laboratories, and profound transcriptomic shifts in transitioning from 2D to 3D spheroid growth models. Our findings also call into question the validity of widely available immortalized, non-transformed pancreatic lines as contemporaneous “control” lines in experiments. Further, while patient-derived organoid (PDOs) are known to reflect the cognate in vivo biology of the parental tumor, we identify transcriptomic shifts during ex vivo passage that might hamper their predictive abilities over time. The impact of these findings on rigor and reproducibility of experimental data generated using established preclinical PDAC models between and across laboratories is uncertain, but a matter of concern.

Abstract RNF43 is an E3 ubiquitin ligase that is recurrently mutated in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and precursor cystic neoplasms of the pancreas. The impact of RNF43 mutations on PDAC is poorly understood and autochthonous models have not been sufficiently characterized. In this study we describe a genetically engineered mouse model (GEMM) of PDAC with conditional expression of oncogenic Kras and deletion of the catalytic domain of Rnf43 (KRC) in exocrine cells. We demonstrate that Rnf43 loss results in an increased incidence of high-grade cystic lesions of the pancreas and PDAC. Importantly, KRC mice have a significantly decreased survival compared to mice containing only an oncogenic Kras mutation. By use of single cell RNA sequencing we demonstrated that KRC tumor progression is accompanied by a decrease in macrophages, as well as an increase in T and B lymphocytes with evidence of increased immune checkpoint molecule expression and affinity maturation, respectively. This was in stark contrast to the tumor immune microenvironment observed in the Kras / Tp53 driven PDAC GEMM. Furthermore, expression of the chemokine, CXCL5, was found to be specifically decreased in KRC cancer cells by means of epigenetic regulation and emerged as a putative candidate for mediating the unique KRC immune landscape. This GEMM establishes RNF43 as a bona fide tumor suppressor gene in PDAC and puts forth a rationale for an immunotherapy approach in this subset of PDAC cases.