Among patients with non–small-cell lung cancer (NSCLC), data on intratumor heterogeneity and cancer genome evolution have been limited to small retrospective cohorts. We wanted to prospectively investigate intratumor heterogeneity in relation to clinical outcome and to determine the clonal nature of driver events and evolutionary processes in early-stage NSCLC.

The early detection of relapse following primary surgery for non-small-cell lung cancer and the characterization of emerging subclones, which seed metastatic sites, might offer new therapeutic approaches for limiting tumour recurrence. The ability to track the evolutionary dynamics of early-stage lung cancer non-invasively in circulating tumour DNA (ctDNA) has not yet been demonstrated. Here we use a tumour-specific phylogenetic approach to profile the ctDNA of the first 100 TRACERx (Tracking Non-Small-Cell Lung Cancer Evolution Through Therapy (Rx)) study participants, including one patient who was also recruited to the PEACE (Posthumous Evaluation of Advanced Cancer Environment) post-mortem study. We identify independent predictors of ctDNA release and analyse the tumour-volume detection limit. Through blinded profiling of postoperative plasma, we observe evidence of adjuvant chemotherapy resistance and identify patients who are very likely to experience recurrence of their lung cancer. Finally, we show that phylogenetic ctDNA profiling tracks the subclonal nature of lung cancer relapse and metastasis, providing a new approach for ctDNA-driven therapeutic studies. Circulating tumour DNA profiling in early-stage non-small-cell lung cancer can be used to track single-nucleotide variants in plasma to predict lung cancer relapse and identify tumour subclones involved in the metastatic process. Circulating tumour DNA (ctDNA) has proven useful for detecting and monitoring cancer progression from plasma samples. The authors have applied a bespoke multiplex-PCR next-generation sequencing approach to profile ctDNA in the prospective TRACERx lung cancer clinical trial study. The assay tracks clonal and subclonal variants, in pre- and post-surgery samples. In pre-surgery samples ctDNA detection is associated with histological subtype and other pathological variables and correlates with tumour volume. Blinded longitudinal profiling suggests that ctDNA detection also associates with relapse, and provides insight into the evolutionary patterns of tumour cell subclones during progression. These results advance our understanding of how liquid biopsies can be applied clinically to improve monitoring of cancer.

Summary

 Immune evasion is a hallmark of cancer. Losing the ability to present neoantigens through human leukocyte antigen (HLA) loss may facilitate immune evasion. However, the polymorphic nature of the locus has precluded accurate HLA copy-number analysis. Here, we present loss of heterozygosity in human leukocyte antigen (LOHHLA), a computational tool to determine HLA allele-specific copy number from sequencing data. Using LOHHLA, we find that HLA LOH occurs in 40% of non-small-cell lung cancers (NSCLCs) and is associated with a high subclonal neoantigen burden, APOBEC-mediated mutagenesis, upregulation of cytolytic activity, and PD-L1 positivity. The focal nature of HLA LOH alterations, their subclonal frequencies, enrichment in metastatic sites, and occurrence as parallel events suggests that HLA LOH is an immune escape mechanism that is subject to strong microenvironmental selection pressures later in tumor evolution. Characterizing HLA LOH with LOHHLA refines neoantigen prediction and may have implications for our understanding of resistance mechanisms and immunotherapeutic approaches targeting neoantigens. 

Video Abstract

Tobacco smoking causes lung cancer1–3, a process that is driven by more than 60 carcinogens in cigarette smoke that directly damage and mutate DNA4,5. The profound effects of tobacco on the genome of lung cancer cells are well-documented6–10, but equivalent data for normal bronchial cells are lacking. Here we sequenced whole genomes of 632 colonies derived from single bronchial epithelial cells across 16 subjects. Tobacco smoking was the major influence on mutational burden, typically adding from 1,000 to 10,000 mutations per cell; massively increasing the variance both within and between subjects; and generating several distinct mutational signatures of substitutions and of insertions and deletions. A population of cells in individuals with a history of smoking had mutational burdens that were equivalent to those expected for people who had never smoked: these cells had less damage from tobacco-specific mutational processes, were fourfold more frequent in ex-smokers than current smokers and had considerably longer telomeres than their more-mutated counterparts. Driver mutations increased in frequency with age, affecting 4–14% of cells in middle-aged subjects who had never smoked. In current smokers, at least 25% of cells carried driver mutations and 0–6% of cells had two or even three drivers. Thus, tobacco smoking increases mutational burden, cell-to-cell heterogeneity and driver mutations, but quitting promotes replenishment of the bronchial epithelium from mitotically quiescent cells that have avoided tobacco mutagenesis. Whole-genome sequencing of normal bronchial epithelium from 16 individuals shows that tobacco smoking increases genomic heterogeneity, mutational burden and driver mutations, whereas stopping smoking promotes replenishment of the epithelium with near-normal cells.

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.

Before squamous cell lung cancer develops, pre-cancerous lesions can be found in the airways. From longitudinal monitoring, we know that only half of such lesions become cancer, whereas a third spontaneously regress. While recent studies have described the presence of an active immune response in high-grade lesions, the mechanisms underpinning clinical regression of pre-cancerous lesions remain unknown. Here, we show that host immune surveillance is strongly implicated in lesion regression. Using bronchoscopic biopsies from human subjects, we find that regressive carcinoma in-situ lesions harbour more infiltrating immune cells than those that progress to cancer. Moreover, molecular profiling of these lesions identifies potential immune escape mechanisms specifically in those that progress to cancer: antigen presentation is impaired by genomic and epigenetic changes, TGF-beta signalling is overactive, and the immunomodulator TNFSF9 is downregulated. Changes appear intrinsic to the CIS lesions as the adjacent stroma of progressive and regressive lesions are transcriptomically similar. This study identifies mechanisms by which pre-cancerous lesions evade immune detection during the earliest stages of carcinogenesis and forms a basis for new therapeutic strategies that treat or prevent early stage lung cancer.