Multimodal iterative sequencing of cancer genomes and single tumor cells

ABSTRACT 

Genome  sequencing  technology  has  been  transformative  in  the  analysis  of  cancer.    From  genomic, 

transcriptomic, and epigenetic data, researchers are making new discoveries about the mechanisms of cancer 

development that  are  leading  to new  therapies and diagnostic  tests.   Accelerating  these  discoveries, genomic 

analysis is being applied to a wide variety of analytes such as cell-­free DNA and single cells from tissue biopsies.  

However,  given  the  increasing  range  of available  genomic  sequencing  assays  available  for  cancer  genomic 

studies,  a  major  challenge  comes  from  the  limited  amounts  of  clinical  tumor  samples.    Tissue  biopsies  and 

samples oftentimes provide a small amount of genomic analyte.  As a result, only one or two genomic sequencing 

experiments can be performed, which leads to a less than complete picture of features of a patient tumor. 

  To address this issue, we developed and validated a technology called APEX – this sequencing technology 

enables repeated use of the same  nucleic acid analytes derived from a variety of clinical samples relevant for 

cancer translational research and clinical studies.  As a result, researchers have the opportunity to conduct many 

types  of  genomic  analyses  on  the  same  sample  and  genomic  material.    APEX  technology  is  based  on  the 

covalent  attachment  of  nucleic  acid  analytes  to  a  solid  support,  so  that  the  original  genomic  material  is 

permanently retained, can be subject to a variety of sequencing assays and  as a result, can be analyzed through 

many iterations.  The use of multiple iterations also offers an opportunity to improve the delineations of critical 

genomic aberrations that occur in only a small fraction of the tumor cells.  We propose the development of APEX 

for  integrated  multi-­modal  and  iterative  genomic  analyses  of  primary  cancer  biopsies  and  cell  free  DNA  from 

patients.  Aim 1 focuses on cell-­free DNA analytes, and Aim 2 focuses on single-­cell transcriptome sequencing. 

  Overall,  our  proposed  APEX  technology  will  broadly  impact  the  field  of  translational  cancer  research  by 

providing a new platform whereby clinical samples can be used as a renewable resource for subsequent genomic 

sequencing.    It  removes  constraints  afforded  by  limited  amounts of  tissue  samples  from  translational  clinical 

studies.  With these improvements, APEX will improve the assessment of somatic genomic alterations in cancer 

cells,  integration  of  multi-­modal  sequencing technologies, and  offer personalized  molecular  analyses  for  each  cancer patient.