We propose a probabilistic method, CancerLocator, which exploits the diagnostic potential of cell-free DNA by determining not only the presence but also the location of tumors. CancerLocator simultaneously infers the proportions and the tissue-of-origin of tumor-derived cell-free DNA in a blood sample using genome-wide DNA methylation data. CancerLocator outperforms two established multi-class classification methods on simulations and real data, even with the low proportion of tumor-derived DNA in the cell-free DNA scenarios. CancerLocator also achieves promising results on patient plasma samples with low DNA methylation sequencing coverage.

ABSTRACT Little is known of the geospatial architecture of individual cell populations in lung adenocarcinoma (LUAD) evolution. Here, we perform single-cell RNA sequencing of 186,916 cells from 5 early-stage LUADs and 14 multi-region normal lung tissues of defined spatial proximities from the tumors. We show that cellular lineages, states, and transcriptomic features geospatially evolve across normal regions to LUADs. LUADs also exhibit pronounced intratumor cell heterogeneity within single sites and transcriptional lineage-plasticity programs. T regulatory cell phenotypes are increased in normal tissues with proximity to LUAD, in contrast to diminished signatures and fractions of cytotoxic CD8+ T cells, antigen-presenting macrophages and inflammatory dendritic cells. We further find that the LUAD ligand-receptor interactome harbors increased expression of epithelial CD24 which mediates pro-tumor phenotypes. These data provide a spatial atlas of LUAD evolution, and a resource for identification of targets for its treatment. Statement of significance The geospatial ecosystem of the peripheral lung and early-stage LUAD is not known. Our multi-region single-cell sequencing analyses unravel cell populations, states, and phenotypes in the spatial and ecological evolution of LUAD from the lung that comprise high-potential targets for early interception.

Summary Determining the clinical significance of CT scan-detected subsolid pulmonary nodules requires an understanding of the molecular and cellular features that may foreshadow disease progression. We studied the alterations at the transcriptome level in both immune and non-immune cells, utilizing single-cell RNA sequencing, to compare the microenvironment of subsolid, solid, and non-involved lung tissues from surgical resection specimens. This evaluation of early spectrum lung adenocarcinoma reveals a significant decrease in the cytolytic activities of natural killer and natural killer T cells, accompanied by a reduction of effector T cells as well as an increase of CD4 + regulatory T cells in subsolid lesions. Characterization of non-immune cells revealed that both cancer-associated alveolar type 2 cells and fibroblasts contribute to the deregulation of the extracellular matrix, potentially affecting immune infiltration in subsolid lesions through ligand-receptor interactions. These findings suggest a decrement of immune surveillance in subsolid lesions.

Despite recent advances in lung cancer immunotherapy, a major obstacle to the progress in the field is the lack of preclinical models that recapitulate the genetic and immunologic complexity of human disease. Conditional genetically engineered mouse models (GEMMs) of non-small cell lung cancer (NSCLC) harbor the common oncogenic mutations of the disease, but these models possess low tumor mutational burden (TMB), which limits their utility in immunotherapy studies. Here, we establish novel Kras -mutant murine models of NSCLC bearing common genetic alterations associated with the disease and increased TMB, by in vitro exposure of cell lines derived from GEMMs of NSCLC [ KrasG12D (K), KrasG12DTp53 -/- (KP), KrasG12DTp53 +/- Lkb1 -/- (KPL)] to the alkylating agent N -methyl- N -nitrosourea (MNU). Increased TMB was associated with enhanced anti-tumor T cell responses and improved anti-PD-1 efficacy in syngeneic models, across all genetic backgrounds. However, anti-PD-1 efficacy was comparatively modest in the KPL cell lines with increased TMB, which possessed a distinct immunosuppressed tumor microenvironment (TME) primarily composed of granulocytic myeloid-derived suppressor cells (G-MDSCs). This phenotype is consistent with findings in human NSCLC where LKB1 loss is a driver of primary resistance to PD-1 blockade. In summary, these novel Kras -mutant murine NSCLC models bearing common co-occurring mutations with increased TMB possess clinically relevant TMEs and recapitulate the genetic complexity and therapeutic vulnerabilities of human NSCLC. We anticipate that these immunogenic models will facilitate the development of novel immunotherapies in NSCLC.

Bronchial premalignant lesions (PMLs) are precursors of lung squamous cell carcinoma, but have variable outcome, and we lack tools to identify and treat PMLs at highest risk for progression to invasive cancer. Profiling endobronchial biopsies of PMLs obtained from high-risk smokers by RNA-Seq identified four PML subtypes with differences in epithelial and immune processes. One molecular subtype (Proliferative) is enriched with dysplastic lesions and exhibits up-regulation of metabolic and cell cycle pathways and down-regulation of ciliary processes. RNA-Seq profiles from normal-appearing uninvolved large airway brushings could identify subjects with Proliferative lesions with high specificity. Expression of interferon signaling and antigen processing/presentation pathways are decreased in progressive/persistent Proliferative lesions and immunofluorescence indicates a depletion of innate and adaptive immune cells in these lesions. Molecular biomarkers measured in PMLs or the uninvolved airway can enhance histopathological grading and suggests that immunoprevention strategies may be effective in intercepting the progression of PMLs to lung cancer.

Abstract Whole-genome bisulfite sequencing (BS-Seq) measures cytosine methylation changes at single-base resolution and can be used to profile cell-free DNA (cfDNA). In plasma, ultrashort single-stranded cfDNA (uscfDNA, ∼50 nt) has been identified together with 167 bp double-stranded mononucleosomal cell-free DNA (mncfDNA). However, the methylation profile of uscfDNA has not been described. Conventional BS-Seq workflows may not be helpful because bisulfite conversion degrades larger DNA into smaller fragments, leading to erroneous categorization as uscfDNA. We describe the ‘5mCAdpBS-Seq’ workflow in which pre-methylated 5mC (5-methylcytosine) single-stranded adapters are ligated to heat-denatured cfDNA before bisulfite conversion. This method retains only DNA fragments that are unaltered by bisulfite treatment, resulting in less biased uscfDNA methylation analysis. Using 5mCAdpBS-Seq, uscfDNA had lower levels of DNA methylation (∼15%) compared to mncfDNA and was enriched in promoters and CpG islands. Hypomethylated uscfDNA fragments were enriched in upstream transcription start sites (TSSs), and the intensity of enrichment was correlated with expressed genes of hemopoietic cells. Using tissue-of-origin deconvolution, we inferred that uscfDNA is derived primarily from eosinophils, neutrophils, and monocytes. As proof-of-principle, we show that characteristics of the methylation profile of uscfDNA can distinguish non-small cell lung carcinoma from non-cancer samples. The 5mCAdpBS-Seq workflow is recommended for any cfDNA methylation-based investigations.

Abstract The treatment of non-small cell lung cancer has made major strides with the use of immune checkpoint inhibitors, but there remains a significant need for therapies that can overcome immunotherapy resistance. Dendritic cell (DC) vaccines have been proposed as a therapy that can potentially enhance the antitumor immune response. We have embarked on a phase I clinical trial of a vaccine consisting of monocyte-derived DCs (moDCs) modified to express the chemokine CCL21 (CCL21-DC) given in combination with pembrolizumab. Here, we report a comprehensive characterization of this CCL21-DC vaccine and interrogate the effects of multiple factors in the manufacturing process. We show that the cellular makeup of the CCL21-DC vaccine is heterogeneous due to the presence of passenger lymphocytes at a proportion that is highly variable among patients. Single cell RNA sequencing of vaccines revealed further heterogeneity within the moDC compartment, with cells spanning a spectrum of DC phenotypes. Transduction with a CCL21-containing adenoviral vector augmented CCL21 secretion by moDCs but otherwise had a minimal effect on vaccine characteristics. A single freeze-thaw cycle for stored vaccines was associated with minor alterations to the DC phenotype, as was the use of healthy donors rather than patient autologous blood. Our results highlight important considerations for the production of DC vaccines and identify underexplored factors that may affect their efficacy and immunologic impact.

BACKGROUND: The potential utility of microRNA as biomarkers for early detection of cancer and other diseases is being investigated with genome-scale profiling of differentially expressed microRNA. Processes for measurement assurance are critical components of genome-scale measurements. Here, we evaluated the utility of a set of total RNA samples, designed with between-sample differences in the relative abundance of miRNAs, as process controls. RESULTS: Three pure total human RNA samples (brain, liver, and placenta) and two different mixtures of these components were evaluated as measurement assurance control samples on multiple measurement systems at multiple sites and over multiple rounds. In silico modeling of mixtures provided benchmark values for comparison with physical mixtures. Biomarker development laboratories using next-generation sequencing (NGS) or genome-scale hybridization assays participated in the study and returned data from the samples using their routine workflows. Multiplexed and single assay reverse-transcription PCR (RT-PCR) was used to confirm in silico predicted sample differences. Data visualizations and summary metrics for genome-scale miRNA profiling assessment were developed using this dataset, and a range of performance was observed. These metrics have been incorporated into an online data analysis pipeline and provide a convenient dashboard view of results from experiments following the described design. The website also serves as a repository for the accumulation of performance values providing new participants in the project an opportunity to learn what may be achievable with similar measurement processes. CONCLUSIONS: The set of reference samples used in this study provides benchmark values suitable for assessing genome-scale miRNA profiling processes. Incorporation of these metrics into an online resource allows laboratories to periodically evaluate their performance and assess any changes introduced into their measurement process.