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.

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.

Abstract Somatic cells accumulate genomic alterations with age; however, our understanding of mitochondrial DNA (mtDNA) mosaicism remains limited. Here we investigated the genomes of 2,096 clones derived from three cell types across 31 donors, identifying 6,451 mtDNA variants with heteroplasmy levels of ≳0.3%. While the majority of these variants were unique to individual clones, suggesting stochastic acquisition with age, 409 variants (6%) were shared across multiple embryonic lineages, indicating their origin from heteroplasmy in fertilized eggs. The mutational spectrum exhibited replication-strand bias, implicating mtDNA replication as a major mutational process. We evaluated the mtDNA mutation rate (5.0 × 10 −8 per base pair) and a turnover frequency of 10–20 per year, which are fundamental components shaping the landscape of mtDNA mosaicism over a lifetime. The expansion of mtDNA-truncating mutations toward homoplasmy was substantially suppressed. Our findings provide comprehensive insights into the origins, dynamics and functional consequences of mtDNA mosaicism in human somatic cells.

Mobocertinib, an EGFR exon 20 insertion (Ex20ins)-specific tyrosine kinase inhibitor has been used for treatment of advanced/metastatic EGFR Ex20ins-mutant non-small cell lung cancer (NSCLC). However, resistance mechanisms to EGFR Ex20ins-specific inhibitors and the efficacy of subsequent amivantamab treatment is unknown.