Gastric cancer is a heterogeneous disease accounting for a high proportion of cancer-related death worldwide. Patient-derived xenograft (PDX) and organoids are effective cancer models for investigating the heterogeneity of gastric cancer, but PDX suffers from low throughput, and organoids suffer from normal tissue contamination. PDX-derived organoid (PDXO) is an alternative solution to cancer organoids in that no normal cell depletion is needed. In addition, given that additional mutations can accumulate in cancer models, whether the genome of PDX and PDXO accurately represent the original tumor is an important issue to confirm. In this study, I established 30 PDXOs, and longitudinally analyzed 29 sets of matched normal, original tumor, PDX, and PDXO in a whole genome scale. PDXOs were free from normal tissue contamination, but the final "take rate" of the establishment was 51% due to mouse cell contamination. WGS analysis revealed that PDX and PDXO accurately represented the original tumor in that both shared much of the major driver mutations together as a stable clone. Two molecular subtypes of gastric cancer, chromosome instability (CIN) and microsatellite instability (MSI), were identified from analyzing stable clones of the models. Besides the major clone, PDX and PDXO also harbored numerous subclonal mutations in a whole genome scale. MSI PDXO accumulated more short insertion-deletion mutations during the passage, and CIN PDX and PDXO accumulated more structural variations compared to the MSI subtype. Signature analysis of single nucleotide variants revealed environment specific signatures, or new MSI-driver gene associated signatures exclusively active in PDX and PDXO. Our study provides a valuable resource for gastric cancer research, validate the similarity of PDX and PDXO to the original tumor, and highlight dynamic subclonal mutational processes active in PDX and PDXO.
위암은 이질적인 질환이면서 전 세계적으로 높은 암 관련 사망률을 보이고 있다. 환자 유래 이종이식편 (PDX) 과 오가노이드는 위암의 이질성을 연구하는데 효과적인 암 모델이지만 PDX는 비효율적이며 오가노이드는 정상 세포의 과증식이 문제가 된다. PDX 유래 오가노이드 (PDXO)는 정상 세포 제거가 필요하지 않다는 점에서 암 모델의 대안이 될 수 있다. 또한 암 모델에 추가적인 돌연변이가 축적될 수 있다는 점을 고려할 때, PDX 와 PDXO의 유전체가 원래 종양을 정확하게 나타내는지 여부는 암 모델을 활용하기 전에 확인해야 할 중요한 문제다. 이 연구는 30 개의 PDXO를 구축하고, 전장 유전체 스케일에서 29 개의 정상, 원본 종양, PDX, PDXO 세트를 병렬적으로 분석했다. PDXO는 정상 세포 오염에서 자유로웠으나 마우스 세포 오염으로 인해 최종 효율은 51%를 기록했다. 전장 유전체 서열 (WGS) 분석에서 PDX와 PDXO는 주요 암 유발 돌연변이의 상당 부분을 안정적인 클론 형태로 공유한다는 점에서 원래 종양의 유전체를 잘 대변한다는 것을 알 수 있었다. 위암의 두 가지 분자 아형인 염색체 불안정성 (CIN)과 마이크로위성 불안정성 (MSI)이 모델의 대표 클론을 분석함으로써 확인되었다. 하지만 주요 클론을 제외하면 PDX 와 PDXO 에는 전장 유전체 규모에서 수많은 서브클론 돌연변이를 보유하고 있었다. MSI PDXO는 짧은 삽입-삭제 돌연변이가 배양 시간에 비례하여 더 많이 축적되었고, CIN PDX와 PDXO는 MSI 아형에 비해 더 많은 구조 변이가 축적되었다. 단일 염기서열 변이의 시그니쳐 분석을 통해 환경 특이적이거나 MSI와 관련된 새로운 시그니쳐가 PDX 와 PDXO 특이적으로 발생하는 것을 확인하였다. 본 연구는 위암 연구에 귀중한 자원을 제공하고, PDX와 PDXO의 유전체가 원본 종양을 대변할 수 있음을 보여주며 PDX와 PDXO에서 발생하는 다양한 서브클론 돌연변이 과정을 밝혔다.
