Abstract The phenomenon of mixed/heterogenous treatment responses to cancer therapies within an individual patient presents a challenging clinical scenario. Furthermore, the molecular basis of mixed intra-patient tumor responses remains unclear. Here, we show that patients with metastatic lung adenocarcinoma harbouring co-mutations of EGFR and TP53 , are more likely to have mixed intra-patient tumor responses to EGFR tyrosine kinase inhibition (TKI), compared to those with an EGFR mutation alone. The combined presence of whole genome doubling (WGD) and TP53 co-mutations leads to increased genome instability and genomic copy number aberrations in genes implicated in EGFR TKI resistance. Using mouse models and an in vitro isogenic p53 -mutant model system, we provide evidence that WGD provides diverse routes to drug resistance by increasing the probability of acquiring copy-number gains or losses relative to non-WGD cells. These data provide a molecular basis for mixed tumor responses to targeted therapy, within an individual patient, with implications for therapeutic strategies.

Patient-derived xenograft (PDX) models are widely used in cancer research. To investigate the genomic fidelity of non-small cell lung cancer PDX models, we established 48 PDX models from 22 patients enrolled in the TRACERx study. Multi-region tumor sampling increased successful PDX engraftment and most models were histologically similar to their parent tumor. Whole-exome sequencing enabled comparison of tumors and PDX models and we provide an adapted mouse reference genome for improved removal of NOD scid gamma (NSG) mouse-derived reads from sequencing data. PDX model establishment caused a genomic bottleneck, with models often representing a single tumor subclone. While distinct tumor subclones were represented in independent models from the same tumor, individual PDX models did not fully recapitulate intratumor heterogeneity. On-going genomic evolution in mice contributed modestly to the genomic distance between tumors and PDX models. Our study highlights the importance of considering primary tumor heterogeneity when using PDX models and emphasizes the benefit of comprehensive tumor sampling.

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a major contributor to treatment resistance and poor outcome for patients with cancer 1,2 . Here we examine the diversity of ecDNA elements across cancer, revealing the associated tissue, genetic and mutational contexts. By analysing data from 14,778 patients with 39 tumour types from the 100,000 Genomes Project, we demonstrate that 17.1% of tumour samples contain ecDNA. We reveal a pattern highly indicative of tissue-context-based selection for ecDNAs, linking their genomic content to their tissue of origin. We show that not only is ecDNA a mechanism for amplification of driver oncogenes, but it also a mechanism that frequently amplifies immunomodulatory and inflammatory genes, such as those that modulate lymphocyte-mediated immunity and immune effector processes. Moreover, ecDNAs carrying immunomodulatory genes are associated with reduced tumour T cell infiltration. We identify ecDNAs bearing only enhancers, promoters and lncRNA elements, suggesting the combinatorial power of interactions between ecDNAs in trans . We also identify intrinsic and environmental mutational processes linked to ecDNA, including those linked to its formation, such as tobacco exposure, and progression, such as homologous recombination repair deficiency. Clinically, ecDNA detection was associated with tumour stage, more prevalent after targeted therapy and cytotoxic treatments, and associated with metastases and shorter overall survival. These results shed light on why ecDNA is a substantial clinical problem that can cooperatively drive tumour growth signals, alter transcriptional landscapes and suppress the immune system.

Abstract Ductal carcinoma in situ (DCIS) is a pre-invasive stage of breast cancer, where the tumor is encapsulated by a basement membrane (BM). At the invasive phase, the BM barrier is compromised enabling tumor cells to escape into the surrounding stroma. The molecular mechanisms that establish and maintain an epithelial BM barrier in vivo are poorly understood. Myosin-X (MYO10) is a filopodia-inducing motor protein implicated in metastasis and poor clinical outcome in patients with invasive breast cancer (IBC). We compared MYO10 expression in patient-matched normal breast tissue and DCIS lesions and found elevated MYO10 expression in DCIS samples, suggesting that MYO10 might facilitate the transition from DCIS to IBC. Indeed, MYO10 promoted the formation of filopodia and cell invasion in vitro and positively regulated the dissemination of individual cancer cells from IBC lesions in vivo. However, MYO10-depleted DCIS xenografts were, unexpectedly, more invasive. In these xenografts, MYO10 depletion compromised BM formation around the lesions resulting in poorly defined tumor borders and increased cancer cell dispersal into the surrounding stroma. Moreover, MYO10-depleted tumors showed increased EMT-marker-positive cells, specifically at the tumor periphery. We also observed cancer spheroids undergoing rotational motion and recruiting BM components in a filopodia-dependent manner to generate a near-continuous extracellular matrix boundary. Taken together, our data identify a protective role for MYO10 in early-stage breast cancer, where MYO10-dependent tumor cell protrusions support BM assembly at the tumor-stroma interface to limit cancer progression, and a pro-invasive role that facilitates cancer cell dissemination at later stages. Abstract Figure Highlights - Filopodia sculpt the tumor-proximal stroma in pre-invasive ductal carcinoma in situ (DCIS). - Filopodia-dependent basement membrane (BM) assembly limits invasive transition of DCIS-like tumors in vivo . - Loss of MYO10-dependent filopodia impairs BM assembly and induces an EMT-like phenotype at the tumor-stroma interface in vivo . - MYO10 filopodia are anti-invasive in DCIS but facilitate dissemination in invasive breast cancer.