Summary

 The close vicinity of cancer cells undergoing epithelial-mesenchymal transition (EMT) and tumor-associated macrophages (TAMs) at the invasive front of tumors suggests that these two cell type may mutually interact. We show that mesenchymal-like breast cancer cells activate macrophages to a TAM-like phenotype by GM-CSF. Reciprocally, CCL18 from TAMs induces cancer cell EMT, forming a positive feedback loop, in coculture systems and humanized mice. Inhibition of GM-CSF or CCL18 breaks this loop and reduces cancer metastasis. High GM-CSF expression in breast cancer samples is associated with more CCL18⁺ macrophages, cancer cell EMT, enhanced metastasis, and reduced patient survival. These findings suggest that a positive feedback loop between GM-CSF and CCL18 is important in breast cancer metastasis.

The current understanding of tumorigenesis is largely centered on a monogenic driver oncogene model. This paradigm is incompatible with the prevailing clinical experience in most solid malignancies: monotherapy with a drug directed against an individual oncogenic driver typically results in incomplete clinical responses and eventual tumor progression1-7. By profiling the somatic genetic alterations present in over 2,000 cases of lung cancer, the leading cause of cancer mortality worldwide8,9, we show that combinations of functional genetic alterations, i.e. genetic collectives dominate the landscape of advanced-stage disease. We highlight this polygenic landscape and evolution of advanced-stage non-small cell lung cancer (NSCLC) through the spatial-temporal genomic profiling of 7 distinct tumor biopsy specimens and 6 plasma specimens obtained from an EGFR-mutant NSCLC patient at (1) initial diagnosis of early-stage disease, (2) metastatic progression, (3) sequential treatment and resistance to 2 EGFR inhibitors, (4) death. The comprehensive genomic analysis of this case, coupled with circulating free (cf) tumor DNA profiling of additional advanced-stage EGFR-mutant NSCLC clinical cohorts with associated treatment responses uncovered features of evolutionary selection for multiple concurrent gene alterations: including the presence of EGFR inhibitor-sensitive (EGFRL858R;EGFRexon19del) or inhibitor-resistant (EGFRT790M;EGFRC797S) forms of oncogenic EGFR along with cell cycle gene alterations (e.g. in CDK4/6, CCNE1, RB1) and activating alterations in WNT/β-catenin and PI3K pathway genes, which our data suggest can cooperatively impart non-redundant functions to limit EGFR targeted therapy response and/or promote tumor progression. Moreover, evidence of an unanticipated parallel evolution of both EGFRT790M and two distinct forms of oncogenic PIK3CA was observed. Our study provides a large-scale clinical and genetic dataset of advanced-stage EGFR-mutant NSCLC, a rationale for specific polytherapy strategies such as EGFR and CDK4/6 inhibitor co-treatment to potentially enhance clinical outcomes, and prompts a re-evaluation of the prevailing paradigm of monogenic-based molecular stratification for targeted therapy. Instead, our findings highlight an alternative model of genetic collectives that operate through epistasis to drive lung cancer progression and therapy resistance.

Transcription factor fusion genes create oncoproteins that drive oncogenesis, and represent challenging therapeutic targets. Understanding the molecular targets by which such fusion oncoproteins promote malignancy offers an approach to develop rational treatment strategies to improve clinical outcomes. CIC-DUX4 is a transcription factor fusion that defines certain undifferentiated round cell sarcomas with high metastatic propensity and poor clinical outcomes. The molecular targets regulated by the CIC-DUX4 oncoprotein that promote this aggressive malignancy remain largely unknown. We show that increased expression of ETV4 and CCNE1 occurs via neo-morphic, direct effects of CIC- DUX4 and drives tumor metastasis and survival, respectively. We demonstrate a molecular dependence on the CCNE-CDK2 cell cycle complex that renders CIC- DUX4 tumors sensitive to inhibition of the CCNE-CDK2 complex, highlighting a therapeutic strategy for CIC-DUX4 tumors. Our findings highlight a paradigm of functional diversification of transcriptional repertoires controlled by a genetically- aberrant transcriptional regulator, with therapeutic implications.