Clinical responses to anticancer therapies are often restricted to a subset of patients. In some cases, mutated cancer genes are potent biomarkers for responses to targeted agents. Here, to uncover new biomarkers of sensitivity and resistance to cancer therapeutics, we screened a panel of several hundred cancer cell lines—which represent much of the tissue-type and genetic diversity of human cancers—with 130 drugs under clinical and preclinical investigation. In aggregate, we found that mutated cancer genes were associated with cellular response to most currently available cancer drugs. Classic oncogene addiction paradigms were modified by additional tissue-specific or expression biomarkers, and some frequently mutated genes were associated with sensitivity to a broad range of therapeutic agents. Unexpected relationships were revealed, including the marked sensitivity of Ewing’s sarcoma cells harbouring the EWS (also known as EWSR1)-FLI1 gene translocation to poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. By linking drug activity to the functional complexity of cancer genomes, systematic pharmacogenomic profiling in cancer cell lines provides a powerful biomarker discovery platform to guide rational cancer therapeutic strategies. Human cancer cell lines are screened with drugs, undergoing clinical or preclinical investigation, to determine specific genomic alterations associated with response to therapeutic agents. Cancer cell lines are widely used as preclinical models to gain mechanistic and therapeutic insight. Two manuscripts in this issue describe the large-scale genetic and pharmacological characterization of human cancer cell lines. Each group characterized collections of several-hundred cell lines using different platforms and analytical methods. Their results are complementary, and confirm that many human cell lines capture the genomic diversity of their respective cancers. Initial findings include the identification of a number of potential markers of drug sensitivity and resistance. For example, Garnett et al. report an association between EWS-FLI1 gene translocations, frequently found in Ewing's sarcoma, and sensitivity to PARP inhibitors, a class of drug currently in clinical trials for other cancer types. Barretina et al. report a possible association between SLFN11 expression and sensitivity to topoisomerase inhibitors.

In Rspondin-based 3D cultures, Lgr5 stem cells from multiple organs form ever-expanding epithelial organoids that retain their tissue identity. We report the establishment of tumor organoid cultures from 20 consecutive colorectal carcinoma (CRC) patients. For most, organoids were also generated from adjacent normal tissue. Organoids closely recapitulate several properties of the original tumor. The spectrum of genetic changes within the "living biobank" agrees well with previous large-scale mutational analyses of CRC. Gene expression analysis indicates that the major CRC molecular subtypes are represented. Tumor organoids are amenable to high-throughput drug screens allowing detection of gene-drug associations. As an example, a single organoid culture was exquisitely sensitive to Wnt secretion (porcupine) inhibitors and carried a mutation in the negative Wnt feedback regulator RNF43, rather than in APC. Organoid technology may fill the gap between cancer genetics and patient trials, complement cell-line- and xenograft-based drug studies, and allow personalized therapy design. PAPERCLIP.

Systematic studies of cancer genomes have provided unprecedented insights into the molecular nature of cancer. Using this information to guide the development and application of therapies in the clinic is challenging. Here, we report how cancer-driven alterations identified in 11,289 tumors from 29 tissues (integrating somatic mutations, copy number alterations, DNA methylation, and gene expression) can be mapped onto 1,001 molecularly annotated human cancer cell lines and correlated with sensitivity to 265 drugs. We find that cell lines faithfully recapitulate oncogenic alterations identified in tumors, find that many of these associate with drug sensitivity/resistance, and highlight the importance of tissue lineage in mediating drug response. Logic-based modeling uncovers combinations of alterations that sensitize to drugs, while machine learning demonstrates the relative importance of different data types in predicting drug response. Our analysis and datasets are rich resources to link genotypes with cellular phenotypes and to identify therapeutic options for selected cancer sub-populations.

Functional genomics approaches can overcome limitations—such as the lack of identification of robust targets and poor clinical efficacy—that hamper cancer drug development. Here we performed genome-scale CRISPR–Cas9 screens in 324 human cancer cell lines from 30 cancer types and developed a data-driven framework to prioritize candidates for cancer therapeutics. We integrated cell fitness effects with genomic biomarkers and target tractability for drug development to systematically prioritize new targets in defined tissues and genotypes. We verified one of our most promising dependencies, the Werner syndrome ATP-dependent helicase, as a synthetic lethal target in tumours from multiple cancer types with microsatellite instability. Our analysis provides a resource of cancer dependencies, generates a framework to prioritize cancer drug targets and suggests specific new targets. The principles described in this study can inform the initial stages of drug development by contributing to a new, diverse and more effective portfolio of cancer drug targets. In a screen of 324 human cancer cell lines and utilising a systematic target prioritization framework, the Werner syndrome ATP-dependent helicase is shown to be a synthetic lethal target in tumours from multiple cancer types with microsatellite instability, providing a new target for cancer drug development.

Highlights•Phosphoproteomics analysis of SARS-CoV-2-infected cells uncovers signaling rewiring•Infection promotes host p38 MAPK cascade activity and shutdown of mitotic kinases•Infection stimulates CK2-containing filopodial protrusions with budding virus•Kinase activity analysis identifies potent antiviral drugs and compoundsSummaryThe causative agent of the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has infected millions and killed hundreds of thousands of people worldwide, highlighting an urgent need to develop antiviral therapies. Here we present a quantitative mass spectrometry-based phosphoproteomics survey of SARS-CoV-2 infection in Vero E6 cells, revealing dramatic rewiring of phosphorylation on host and viral proteins. SARS-CoV-2 infection promoted casein kinase II (CK2) and p38 MAPK activation, production of diverse cytokines, and shutdown of mitotic kinases, resulting in cell cycle arrest. Infection also stimulated a marked induction of CK2-containing filopodial protrusions possessing budding viral particles. Eighty-seven drugs and compounds were identified by mapping global phosphorylation profiles to dysregulated kinases and pathways. We found pharmacologic inhibition of the p38, CK2, CDK, AXL, and PIKFYVE kinases to possess antiviral efficacy, representing potential COVID-19 therapies.Graphical abstract

A community of researchers report the lessons learned from applying 44 algorithms to predict drug sensitivity in cancer cell lines using genomic, epigenetic and proteomic datasets Predicting the best treatment strategy from genomic information is a core goal of precision medicine. Here we focus on predicting drug response based on a cohort of genomic, epigenomic and proteomic profiling data sets measured in human breast cancer cell lines. Through a collaborative effort between the National Cancer Institute (NCI) and the Dialogue on Reverse Engineering Assessment and Methods (DREAM) project, we analyzed a total of 44 drug sensitivity prediction algorithms. The top-performing approaches modeled nonlinear relationships and incorporated biological pathway information. We found that gene expression microarrays consistently provided the best predictive power of the individual profiling data sets; however, performance was increased by including multiple, independent data sets. We discuss the innovations underlying the top-performing methodology, Bayesian multitask MKL, and we provide detailed descriptions of all methods. This study establishes benchmarks for drug sensitivity prediction and identifies approaches that can be leveraged for the development of new methods.

The prediction of transcription factor (TF) activities from the gene expression of their targets (i.e., TF regulon) is becoming a widely used approach to characterize the functional status of transcriptional regulatory circuits. Several strategies and data sets have been proposed to link the target genes likely regulated by a TF, each one providing a different level of evidence. The most established ones are (1) manually curated repositories, (2) interactions derived from ChIP-seq binding data, (3) in silico prediction of TF binding on gene promoters, and (4) reverse-engineered regulons from large gene expression data sets. However, it is not known how these different sources of regulons affect the TF activity estimations and, thereby, downstream analysis and interpretation. Here we compared the accuracy and biases of these strategies to define human TF regulons by means of their ability to predict changes in TF activities in three reference benchmark data sets. We assembled a collection of TF–target interactions for 1541 human TFs and evaluated how different molecular and regulatory properties of the TFs, such as the DNA-binding domain, specificities, or mode of interaction with the chromatin, affect the predictions of TF activity. We assessed their coverage and found little overlap on the regulons derived from each strategy and better performance by literature-curated information followed by ChIP-seq data. We provide an integrated resource of all TF–target interactions derived through these strategies, with confidence scores, as a resource for enhanced prediction of TF activities.

Acute myeloid leukemia (AML) is an aggressive cancer with a poor prognosis, for which mainstream treatments have not changed for decades. To identify additional therapeutic targets in AML, we optimize a genome-wide clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) screening platform and use it to identify genetic vulnerabilities in AML cells. We identify 492 AML-specific cell-essential genes, including several established therapeutic targets such as DOT1L, BCL2, and MEN1, and many other genes including clinically actionable candidates. We validate selected genes using genetic and pharmacological inhibition, and chose KAT2A as a candidate for downstream study. KAT2A inhibition demonstrated anti-AML activity by inducing myeloid differentiation and apoptosis, and suppressed the growth of primary human AMLs of diverse genotypes while sparing normal hemopoietic stem-progenitor cells. Our results propose that KAT2A inhibition should be investigated as a therapeutic strategy in AML and provide a large number of genetic vulnerabilities of this leukemia that can be pursued in downstream studies.

Abstract Aberrant cell signaling can cause cancer and other diseases and is a focal point of drug research. A common approach is to infer signaling activity of pathways from gene expression. However, mapping gene expression to pathway components disregards the effect of post-translational modifications, and downstream signatures represent very specific experimental conditions. Here we present PROGENy, a method that overcomes both limitations by leveraging a large compendium of publicly available perturbation experiments to yield a common core of Pathway RespOnsive GENes. Unlike pathway mapping methods, PROGENy can (i) recover the effect of known driver mutations, (ii) provide or improve strong markers for drug indications, and (iii) distinguish between oncogenic and tumor suppressor pathways for patient survival. Collectively, these results show that PROGENy accurately infers pathway activity from gene expression in a wide range of conditions.