Elucidation of the proteogenomic evolution of metastatic tumors may offer insight into the poor prognosis of patients harboring metastatic disease. We performed whole-exome and transcriptome sequencing, copy number alterations (CNA) and mass spectrometry-based quantitative proteomics of 37 lung adenocarcinoma (LUAD) and thymic carcinoma (TC) metastases obtained by rapid autopsy and found evidence of patient-specific, multi-dimensional heterogeneity. Extreme mutational heterogeneity was evident in a subset of patients whose tumors showed increased APOBEC-signature mutations and expression of APOBEC3 region transcripts compared to patients with lesser mutational heterogeneity. TP53 mutation status was associated with APOBEC hypermutators in our cohort and in three independent LUAD datasets. In a thymic carcinoma patient, extreme heterogeneity and increased APOBEC3AB expression was associated with a high-risk germline APOBEC3AB variant allele. Patients with CNA occurring late in tumor evolution had corresponding changes in gene expression and protein abundance indicating genomic instability as a mechanism of downstream transcriptomic and proteomic heterogeneity between metastases. Across all tumors, proteomic heterogeneity was greater than copy number and transcriptomic heterogeneity. Enrichment of interferon pathways was evident both in the transcriptome and proteome of the tumors enriched for APOBEC mutagenesis despite a heterogeneous immune microenvironment across metastases suggesting a role for the immune microenvironment in the expression of APOBEC transcripts and generation of mutational heterogeneity. The evolving, heterogeneous nature of LUAD and TC, through APOBEC-mutagenesis and CNA illustrate the challenges facing treatment outcomes.

Lung cancer is the leading cause of cancer death both in men and women. Tumor heterogeneity is an impediment to targeted treatment of all cancers, including lung cancer. Here, we sought to characterize changes in tumor proteome and phosphoproteome by longitudinal, prospective collection of tumor tissue of an exceptional responder lung adenocarcinoma patient who survived with metastatic lung adenocarcinoma for more than seven years with HER2-directed therapy in combination with chemotherapy. We employed Super-SILAC and TMT labeling strategies to quantify the proteome and phosphoproteome of a lung metastatic site and ten different metastatic progressive lymph nodes collected across a span of seven years, including five lymph nodes procured at autopsy. We identified specific signaling networks enriched in lung compared to the lymph node metastatic sites. We correlated the changes in protein abundance with changes in copy number alteration (CNA) and transcript expression. To further interrogate the mass spectrometry data, patient-specific database was built incorporating all the somatic variants identified by whole genome sequencing (WGS) of genomic DNA from the lung, one lymph node metastatic site and blood. An extensive validation pipeline was built for confirmation of variant peptides. We validated 360 spectra corresponding to 55 germline and 6 somatic variant peptides. Targeted MRM assays demonstrated expression of two novel variant somatic peptides, CDK12-G879V and FASN-R1439Q, with expression in lung and lymph node metastatic sites, respectively. CDK12-G879V mutation likely results in a nonfunctional CDK12 kinase and chemotherapy susceptibility in lung metastatic sites. Knockdown of CDK12 in lung adenocarcinoma cells results in increased chemotherapy sensitivity, explaining the complete resolution of the lung metastatic sites in this patient.

Abstract Patients with advanced gastric and colorectal cancers have limited treatment options. Since mesothelin is highly expressed in these tumour types, we evaluated the therapeutic benefits of anti‐mesothelin hYP218 CAR T cells alone, and in combination with anti‐PD1 antibody, pembrolizumab. GEPIA analysis was performed using human gastric ( n = 408) and colon cancer tumours ( n = 275) in TCGA database, to evaluate mRNA expression of mesothelin, compared to normal tissues. Mesothelin expression in gastric and colorectal cancer cell‐lines ( n = 5) was analysed using flow cytometry. In vitro efficacy by hYP218 CAR T cells was tested by cytotoxicity and cytokine release assays. In vivo anti‐tumour efficacy of hYP218 CAR T cells alone, and in combination with pembrolizumab, was evaluated in NSG mice bearing human gastric (HGC27) and colorectal (SW48) tumour xenografts. Additionally, hYP218 CAR‐T cell persistence, activation and exhaustion marker‐expression were studied. Mesothelin expression was significantly higher in gastric and colon cancer biopsies compared to normal tissues ( p < .005). Mesothelin expression in gastric and colon cancer cell lines ranged from 10 000 to 70 000 molecules per cell. hYP218 CAR T cells demonstrated strong cytotoxic activity at low effector to target ratio, ranging from 0.24 to 1.0. In NSG mouse‐models, hYP218 CAR T cells demonstrated anti‐tumour efficacy and persisted in the tumour microenvironment in a functional state at day 40 posttreatment with expression of activation markers CD39 and CD69, increased production of IFN‐γ and TNF‐α and ability to kill tumour cells in vitro when isolated from tumours. There was increased PD1 expression. In combination with pembrolizumab, hYP218 CAR T cells led to slower tumour growth in NSG mice bearing large but not small HGC27 tumours. Anti‐tumour efficacy of hYP218 CAR T cells is due to increased accumulation of activated CAR T cells in the tumour and combination with pembrolizumab resulted in improvement in anti‐tumour activity of large established tumours. Highlights Mesothelin expression is significantly higher in gastric and colorectal cancers than normal tissues. hYP218 CAR T cells demonstrate strong anti‐tumour activity against mesothelin‐positive gastric and colorectal carcinomas. Activated hYP218 CAR T cells persist in the tumour microenvironment and retain their cytotoxic activity. Addition of pembrolizumab in larger tumours enhance CAR T cell efficacy.