Purpose Histologic transformation of EGFR mutant lung adenocarcinoma (LADC) into small-cell lung cancer (SCLC) has been described as one of the major resistant mechanisms for epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitors (TKIs). However, the molecular pathogenesis is still unclear. Methods We investigated 21 patients with advanced EGFR-mutant LADCs that were transformed into EGFR TKI–resistant SCLCs. Among them, whole genome sequencing was applied for nine tumors acquired at various time points from four patients to reconstruct their clonal evolutionary history and to detect genetic predictors for small-cell transformation. The findings were validated by immunohistochemistry in 210 lung cancer tissues. Results We identified that EGFR TKI–resistant LADCs and SCLCs share a common clonal origin and undergo branched evolutionary trajectories. The clonal divergence of SCLC ancestors from the LADC cells occurred before the first EGFR TKI treatments, and the complete inactivation of both RB1 and TP53 were observed from the early LADC stages in sequenced tumors. We extended the findings by immunohistochemistry in the early-stage LADC tissues of 75 patients treated with EGFR TKIs; inactivation of both Rb and p53 was strikingly more frequent in the small-cell–transformed group than in the nontransformed group (82% v 3%; odds ratio, 131; 95% CI, 19.9 to 859). Among patients registered in a predefined cohort (n = 65), an EGFR mutant LADC that harbored completely inactivated Rb and p53 had a 43× greater risk of small-cell transformation (relative risk, 42.8; 95% CI, 5.88 to 311). Branch-specific mutational signature analysis revealed that apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like (APOBEC)–induced hypermutation was frequent in the branches toward small-cell transformation. Conclusion EGFR TKI–resistant SCLCs are branched out early from the LADC clones that harbor completely inactivated RB1 and TP53. The evaluation of RB1 and TP53 status in EGFR TKI–treated LADCs is informative in predicting small-cell transformation.

Abstract Whole-genome sequencing (WGS) of human tumors and normal cells exposed to various carcinogens has revealed distinct mutational patterns that provide deep insights into the DNA damage and repair processes. Although ionizing radiation (IR) is conventionally known as a strong carcinogen, its genome-wide mutational impacts have not been comprehensively investigated at the single-nucleotide level. Here, we explored the mutational landscape of normal single-cells after exposure to the various levels of IR. On average, 1 Gy of IR exposure generated ∼16 mutational events with a spectrum consisting of predominantly small nucleotide deletions and a few characteristic structural variations. In ∼30% of the post-irradiated cells, complex genomic rearrangements, such as chromoplexy, chromothripsis , and breakage-fusion-bridge cycles, were resulted, indicating the stochastic and chaotic nature of DNA repair in the presence of the massive number of concurrent DNA double-strand breaks. These mutational signatures were confirmed in the genomes of 22 IR-induced secondary malignancies. With high-resolution genomic snapshots of irradiated cells, our findings provide deep insights into how IR-induced DNA damage and subsequent repair processes operate in mammalian cells.

Abstract Severe acute respiratory syndrome-coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which is the cause of a present global pandemic, infects human lung alveolar cells (hACs). Characterising the pathogenesis is crucial for developing vaccines and therapeutics. However, the lack of models mirroring the cellular physiology and pathology of hACs limits the study. Here, we develop a feeder-free, long-term three-dimensional (3D) culture technique for human alveolar type 2 (hAT2) cells, and investigate infection response to SARS-CoV-2. By imaging-based analysis and single-cell transcriptome profiling, we reveal rapid viral replication and the increased expression of interferon-associated genes and pro-inflammatory genes in infected hAT2 cells, indicating robust endogenous innate immune response. Further tracing of viral mutations acquired during transmission identifies full infection of individual cells effectively from a single viral entry. Our study provides deep insights into the pathogenesis of SARS-CoV-2, and the application of long-term 3D hAT2 cultures as models for respiratory diseases.

Summary The trillions of cells that constitute the human body are developed from a fertilized egg through embryogenesis. However, cellular dynamics and developmental outcomes of embryonic cells in humans remain to be largely unknown due to the technical and ethical challenges. Here, we explored whole-genomes of 334 single-cell expanded clones and targeted deep-sequences of 379 bulk tissues obtained from various anatomical locations from seven individuals. Using the discovered 1,688,652 somatic mutations as an intrinsic barcode, we reconstructed cellular phylogenetic trees that provide novel insights into early human embryogenesis. Our findings suggest (1) endogenous mutational rate that is higher in the first cell division of life but decreases to ~1 per cell per cell division later in life, (2) universal unequal contribution of early cells into embryo proper resulting from early cellular bottlenecks that stochastically separate epiblasts from embryonic cells (3) uneven differential outcomes of early cells into three germ layers, left-right and cranio-caudal tissues, (4) emergence of a few ancestral cells that will contribute to the substantial fraction of adult blood cells, and (5) presence of mitochondrial DNA heteroplasmy in the fertilized egg. Our approach additionally provides insights into the age-related mutational processes including UV-mediated mutagenesis and loss of chromosome X or Y in normal somatic cells. Taken together, this study scrutinized somatic mosaicism, clonal architecture, and cellular dynamics in human embryogenesis at an unprecedented level and provides a foundation for future studies to complete cellular phylogenies in human embryogenesis.

Summary Over the course of an individual’s lifetime, genomic alterations accumulate in somatic cells. However, the mutational landscape by retrotranspositions of long interspersed nuclear element-1 ( L1 ), a widespread mobile element in the human genome, is poorly understood in normal cells. Here, we explored the whole-genome sequences of 892 single-cell clones established from various tissues collected from 28 individuals. Remarkably, 88% of colorectal epithelial cells acquired somatic L1 retrotranspositions ( soL1Rs ), carrying ∼3 events per cell on average with substantial intra- and inter-individual variances, which was accelerated at least 10-fold during tumourigenesis. Breakpoints of soL1Rs suggested that a few variant mechanisms can be involved in the L1 retrotransposition processes. Fingerprinting of donor L1s using source-specific unique sequences revealed 34 hot L1s, 44% of which were newly discovered in this study, and many ultra-rare hot L1s in the human population showed higher retrotransposition potential in somatic lineages than common sources. Multi-dimensional analysis of soL1Rs with early embryonic developmental relationships, genome-wide methylation, and gene expression profiles of the clones demonstrated that (1) soL1Rs occur from early embryogenesis at a substantial rate, (2) epigenetic activation of hot L1s is stochastically acquired during the wave of early global epigenomic reprogramming, rather than by the sporadic loss-of-methylation at the late stage, and (3) most L1 transcripts in the cytoplasm do not generate soL1Rs in somatic lineages. In summary, this study provides insights into the retrotransposition dynamics of L1s in the human genome and the resultant somatic mosaicism in normal human cells.

Abstract We aimed to elucidate the evolutionary trajectories of gallbladder adenocarcinoma (GBAC) using multi-regional and longitudinal tumor samples. Using whole-exome sequencing data, we constructed phylogenetic trees in each patient, and analyzed mutational signatures. A total of 11 patients including 2 rapid autopsy cases were enrolled. The most frequently altered gene in primary tumors was ERBB2 (54.5%), followed by TP53 (45.5%), and FBXW7 (27.3%). Most mutations in frequently altered genes in primary tumors were detectable in concurrent precancerous lesions (biliary intraepithelial neoplasia, BilIN), but some of them were subclonal. Subclonal diversity was common in BilIN (n=4). However, among subclones in BilIN, a certain subclone commonly shrank in concurrent primary tumors. In addition, selected subclones underwent linear and branching evolution, maintaining subclonal diversity. In combined analysis with metastatic tumors (n=11), branching evolution was identified in 9 (81.8%) patients. Of these, 8 patients (88.9%) had a total of 11 subclones expanded at least 7-fold during metastasis. These subclones harbored putative metastasis-driving mutations in tumor suppressor genes such as SMAD4 , ROBO1 , and DICER1 . In mutational signature analysis, 6 mutational signatures were identified: 1, 3, 7, 13, 22, and 24 (cosine similarity >0.9). Signatures 1 (age) and 13 (APOBEC) decreased during metastasis while signatures 22 (aristolochic acid) and 24 (aflatoxin) were relatively highlighted. Subclonal diversity arose early in precancerous lesions and the clonal selection was a common event during malignant transformation in GBAC. However, selected cancer clones continued to evolve and thus maintained subclonal diversity in metastatic tumors.