Abstract Colorectal carcinoma represents a heterogeneous entity, with only a fraction of the tumours responding to available therapies, requiring a better molecular understanding of the disease in precision oncology. To address this challenge, the OncoTrack consortium recruited 106 CRC patients (stages I–IV) and developed a pre-clinical platform generating a compendium of drug sensitivity data totalling >4,000 assays testing 16 clinical drugs on patient-derived in vivo and in vitro models. This large biobank of 106 tumours, 35 organoids and 59 xenografts, with extensive omics data comparing donor tumours and derived models provides a resource for advancing our understanding of CRC. Models recapitulate many of the genetic and transcriptomic features of the donors, but defined less complex molecular sub-groups because of the loss of human stroma. Linking molecular profiles with drug sensitivity patterns identifies novel biomarkers, including a signature outperforming RAS/RAF mutations in predicting sensitivity to the EGFR inhibitor cetuximab.

SUMMARY Recent data suggests that colon tumors contain a subpopulation of therapy resistant quiescent cancer stem cells (qCSCs) that are the source of relapse following treatment. Here, using colon cancer patient-derived organoids (PDOs) and xenograft (PDX) models, we identify a rare population of long-term label-retaining (PKH26 Positive ) qCSCs that can re-enter the cell cycle to generate new tumors. RNA-sequencing analyses demonstrated that these cells are enriched for stem cell associated gene sets such as Wnt and hedgehog signaling, epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), embryonic development, tissue development and p53 pathway but have downregulated expression of genes associated with cell cycle, transcription, biosynthesis and metabolism. Furthermore, qCSCs are enriched for p53 interacting negative regulators of cell cycle, including AKAP12, CD82, CDKN1A, FHL2, GPX3, KIAA0247, LCN2, TFF2, UNC5B and ZMAT3 , that we show are indicators of poor prognosis and may be targeted for qCSC abolition. Interestingly, CD82, KIAA0247 and UNC5B proteins localize to the cell surface and may therefore be potential markers for the prospective isolation of qCSCs. These data support the temporal inhibition of p53 signaling for the elimination of qCSCs and prevention of relapse in colorectal cancer.

SUMMARY Recent data support a hierarchical model of colon cancer driven by a population of cancer stem cells (CSCs). Greater understanding of the mechanisms that regulate CSCs may therefore lead to more effective treatments. Serial limiting dilution xenotransplantation assays of colon cancer patient-derived tumors demonstrated ALDH Positive cells to be enriched for tumorigenic self-renewing CSCs. In order to identify CSC modulators, we performed RNA-sequencing analysis of ALDH Positive CSCs from a panel of colon cancer patient-derived organoids (PDOs) and xenografts (PDXs). These studies demonstrated CSCs to be enriched for embryonic and neural development gene sets. Functional analyses of genes differentially expressed in both ALDH Positive PDO and PDX CSCs demonstrated the neural crest stem cell (NCSC) regulator and wound response gene EGR2 to be required for CSC tumorigenicity and to control expression of homeobox superfamily embryonic master transcriptional regulator HOX genes and the embryonic and neural stem cell regulator SOX2 . In addition, we identify EGR2 , HOXA2 , HOXA4 , HOXA5 , HOXA7 , HOXB2 , HOXB3 and the tumor suppressor ATOH1 as new prognostic biomarkers in colorectal cancer.