Fine-mapping of the cell-division cycle, notably the identification of mitotic kinase signaling pathways, provides novel opportunities for cancer-drug discovery. As a key regulator of multiple steps during mitotic progression across eukaryotic species, the serine/threonine-specific Polo-like kinase 1 (Plk1) is highly expressed in malignant cells and serves as a negative prognostic marker in specific human cancer types [1Barr F.A. Sillje H.H. Nigg E.A. Polo-like kinases and the orchestration of cell division.Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2004; 5: 429-440Crossref PubMed Scopus (847) Google Scholar, 2Takai N. Hamanaka R. Yoshimatsu J. Miyakawa I. Polo-like kinases (Plks) and cancer.Oncogene. 2005; 24: 287-291Crossref PubMed Scopus (319) Google Scholar, 3Strebhardt K. Ullrich A. Targeting polo-like kinase 1 for cancer therapy.Nat. Rev. Cancer. 2006; 6: 321-330Crossref PubMed Scopus (662) Google Scholar, 4van de Weerdt B.C. Medema R.H. Polo-like kinases: A team in control of the division.Cell Cycle. 2006; 5: 853-864Crossref PubMed Scopus (217) Google Scholar]. Here, we report the discovery of a potent small-molecule inhibitor of mammalian Plk1, BI 2536, which inhibits Plk1 enzyme activity at low nanomolar concentrations. The compound potently causes a mitotic arrest and induces apoptosis in human cancer cell lines of diverse tissue origin and oncogenome signature. BI 2536 inhibits growth of human tumor xenografts in nude mice and induces regression of large tumors with well-tolerated intravenous dose regimens. In treated tumors, cells arrest in prometaphase, accumulate phosphohistone H3, and contain aberrant mitotic spindles. This mitotic arrest is followed by a surge in apoptosis, detectable by immunohistochemistry and noninvasive optical and magnetic resonance imaging. For addressing the therapeutic potential of Plk1 inhibition, BI 2536 has progressed into clinical studies in patients with locally advanced or metastatic cancers.

BackgroundThe mitotic kinases, Cdk1, Aurora A/B, and Polo-like kinase 1 (Plk1) have been characterized extensively to further understanding of mitotic mechanisms and as potential targets for cancer therapy. Cdk1 and Aurora kinase studies have been facilitated by small-molecule inhibitors, but few if any potent Plk1 inhibitors have been identified.ResultsWe describe the cellular effects of a novel compound, BI 2536, a potent and selective inhibitor of Plk1. The fact that BI 2536 blocks Plk1 activity fully and instantaneously enabled us to study controversial and unknown functions of Plk1. Cells treated with BI 2536 are delayed in prophase but eventually import Cdk1-cyclin B into the nucleus, enter prometaphase, and degrade cyclin A, although BI 2536 prevents degradation of the APC/C inhibitor Emi1. BI 2536-treated cells lack prophase microtubule asters and thus polymerize mitotic microtubules only after nuclear-envelope breakdown and form monopolar spindles that do not stably attach to kinetochores. Mad2 accumulates at kinetochores, and cells arrest with an activated spindle-assembly checkpoint. BI 2536 prevents Plk1's enrichment at kinetochores and centrosomes, and when added to metaphase cells, it induces detachment of microtubules from kinetochores and leads to spindle collapse.ConclusionsOur results suggest that Plk1's accumulation at centrosomes and kinetochores depends on its own activity and that this activity is required for maintaining centrosome and kinetochore function. Our data also show that Plk1 is not required for prophase entry, but delays transition to prometaphase, and that Emi1 destruction in prometaphase is not essential for APC/C-mediated cyclin A degradation.

KRAS is the most frequently mutated oncogene, harboring mutations in approximately one in seven cancers. Allele-specific KRASG12C inhibitors are currently changing the treatment paradigm for patients with KRASG12C-mutated non-small cell lung cancer and colorectal cancer. The success of addressing a previously elusive KRAS allele has fueled drug discovery efforts for all KRAS mutants. Pan-KRAS drugs have the potential to address broad patient populations, including KRASG12D-, KRASG12V-, KRASG13D-, KRASG12R-, and KRASG12A-mutant or KRAS wild-type-amplified cancers, as well as cancers with acquired resistance to KRASG12C inhibitors. Here, we review actively pursued allele-specific and pan-KRAS inhibition strategies and their potential utility.Mutant-selective KRASG12C inhibitors target a fraction (approximately 13.6%) of all KRAS-driven cancers. A broad arsenal of KRAS drugs is needed to comprehensively conquer KRAS-driven cancers. Conceptually, we foresee two future classes of KRAS medicines: mutant-selective KRAS drugs targeting individual variant alleles and pan-KRAS therapeutics targeting a broad range of KRAS alterations.

Abstract Werner syndrome helicase (WRN) plays important roles in multiple pathways of DNA repair and the maintenance of genome integrity. Recently, loss of WRN was identified as a strong synthetic lethal interaction for microsatellite instable (MSI) cancers making WRN a promising drug target. Yet, structural information for the helicase domain is lacking, which prevents structure-based design of drug molecules. In this study, we show that ATP binding and hydrolysis in the helicase domain are required for genome integrity and viability of MSI cancer cells. We then determined the crystal structure of an ADP bound form of the WRN helicase core at 2.2 Å resolution. The structure features an atypical mode of nucleotide binding with extensive contacts formed by motif VI, which in turn defines the relative positioning of the two RecA like domains. The structure features a novel additional β-hairpin in the second RecA and an unusual helical hairpin in the Zn2+ binding domain, and modelling DNA substrates based on existing RecQ DNA complexes suggests roles for these features in the binding of alternative DNA structures. We have further analysed possible interfaces formed from the interactions between the HRDC domain and the helicase core by NMR. Together, this study will facilitate the structure-based design of inhibitors against WRN helicase.

Abstract Efforts to improve the anti-tumor response to KRAS G12C targeted therapy have benefited from leveraging combination approaches. Here, we compare the anti-tumor response induced by the SOS1-KRAS interaction inhibitor, BI-3406, combined with a KRAS G12C inhibitor (KRAS G12C i) to those induced by KRAS G12C i alone or combined with SHP2 or EGFR inhibitors. In lung cancer and colorectal cancer (CRC) models, BI-3406 plus KRAS G12C i induces an anti-tumor response stronger than that observed with KRAS G12C i alone and comparable to those by the other combinations. This enhanced anti-tumor response is associated with a stronger and extended suppression of RAS-MAPK signaling. Importantly, BI-3406 plus KRAS G12C i treatment delays the emergence of acquired adagrasib resistance in both CRC and lung cancer models and is associated with re-establishment of anti-proliferative activity in KRAS G12C i-resistant CRC models. Our findings position KRAS G12C plus SOS1 inhibition therapy as a promising strategy for treating both KRAS G12C -mutated tumors as well as for addressing acquired resistance to KRAS G12C i.

Recent genome analyses have identified recurrent mutations in the cohesin complex in a wide range of human cancers. Here we demonstrate that the most frequently mutated subunit of the cohesin complex, STAG2, displays a strong synthetic lethal interaction with its paralog STAG1. Mechanistically, STAG1 loss abrogates sister chromatid cohesion in STAG2 mutated but not in wild-type cells leading to mitotic catastrophe, defective cell division and apoptosis. STAG1 inactivation inhibits the proliferation of STAG2 mutated but not wild-type bladder cancer and Ewing sarcoma cell lines. Restoration of STAG2 expression in a mutated bladder cancer model alleviates the dependency on STAG1. Thus, STAG1 and STAG2 support sister chromatid cohesion to redundantly ensure cell survival. STAG1 represents a vulnerability of cancer cells carrying mutations in the tumor suppressor STAG2 across different cancer contexts. Exploiting synthetic lethal interactions to target recurrent cohesin mutations in cancer holds the promise for the development of selective therapeutics.

Recent genome analyses have identified recurrent mutations in the cohesin complex in a wide range of human cancers. Here we demonstrate that the most frequently mutated subunit of the cohesin complex, STAG2, displays a strong synthetic lethal interaction with its paralog STAG1. Mechanistically, STAG1 loss abrogates sister chromatid cohesion in STAG2 mutated but not in wild-type cells leading to mitotic catastrophe, defective cell division and apoptosis. STAG1 inactivation inhibits the proliferation of STAG2 mutated but not wild-type bladder cancer and Ewing sarcoma cell lines. Restoration of STAG2 expression in a mutated bladder cancer model alleviates the dependency on STAG1. Thus, STAG1 and STAG2 act redundantly to support cell survival. STAG1 represents a hardwired, context independent vulnerability of cancer cells carrying mutations in the major tumor suppressor STAG2. Exploiting synthetic lethal interactions to target cohesin mutations in cancer, e.g. by inhibiting STAG1, holds the promise for the development of selective therapeutics.

Targeted cancer therapy is based on exploiting selective dependencies of tumor cells. By leveraging recent large-scale genomic profiling and functional screening of cancer cell lines we identified Werner syndrome helicase (WRN) as a novel specific vulnerability of microsatellite instability-high (MSI-H) cancer cells. MSI, caused by defective mismatch repair is frequently detected in human malignancies, in particular in colorectal, endometrial and gastric cancers. We demonstrate that WRN inactivation selectively impairs the viability of MSI-H but not microsatellite stable (MSS) colorectal and endometrial cancer cell lines. In MSI-H cells, WRN loss results in the emergence of chromosome breaks, chromatin bridges and micronuclei highlighting defective genome integrity. WRN variants harboring mutations abrogating the ATPase function of WRN helicase fail to rescue the viability phenotype of WRN-depleted MSI-H colorectal cells. Our study suggests that pharmacological inhibition of WRN helicase function might represent a novel opportunity to develop a targeted therapy for MSI-H cancers.