Abstract Bi-allelic loss of TP53 and RB1 in treatment-naïve small cell lung cancer (SCLC) suggests strong selective pressure to inactivate regulated cell death pathways prior to therapy. Yet, which regulated cell death pathways remain available in treatment-naïve SCLC is unknown. Here, through systemic analysis of cell death pathway availability, we identify non-neuroendocrine (NE) and NE SCLC subtypes to segregate by their response to ferroptosis, a recently described iron-dependent type of regulated necrosis. While we identify that in treatment-naïve SCLC extrinsic apoptosis and necroptosis are incapacitated, we find non-NE SCLC to be exquisitely sensitive to ferroptosis induced through pharmacological and genetic means. Mechanistically, non-NE SCLC as opposed to NE SCLC presents with an oxygenated lipidome priming non-NE SCLC for ferroptosis. ASCL1+ NE SCLC, in turn, is resistant to ferroptosis but acquires selective addiction to the thioredoxin (TRX) anti-oxidant pathway. Importantly, co-cultures mimicking non-NE/NE intratumoral heterogeneity selectively deplete non-NE populations upon induction of ferroptosis while eliminating NE cell populations only upon TRX pathway. As a consequence, combined induction of ferroptosis and inhibition of the TRX pathway broadly kills established non-NE and NE tumors in xenografts and genetically engineered mouse models of SCLC. Moreover, patient-derived treatment-naïve and refractory NE SCLC models are selectively killed via this regime. In SCLC, combined low expression of GPX4 and TRX reductase 1 (TXNRD1) identifies a patient subset with drastically improved overall survival. These data identify ferroptosis as an SCLC subtype-specific vulnerability and suggest repurposing ferroptosis induction with TRX pathway inhibition to specifically address intratumoral NE/non-NE heterogeneity in SCLC. One Sentence Summary The SCLC non-neuroendocrine subtype is sensitive to ferroptosis

Abstract Small cell lung cancer (SCLC) is a highly aggressive type of lung cancer, characterized by rapid proliferation, early metastatic spread, clinical recurrence and high rate of mortality. Using in vivo insertional mutagenesis screening in conjunction with cross-species genomic and transcriptomic validation, we identified a strong and consistent signal for neuronal, synaptic, and glutamatergic signaling gene sets in murine and human SCLC. We show that SCLC cells have the ability to develop intimate contacts with neuronal glutamatergic terminals in vitro , in autochthonous primary lung tumors and in brain-engrafted tumors. These contacts can develop into bona fide synapses, allowing SCLC cells to receive glutamatergic inputs. Fitting with a potential oncogenic role of neuron-SCLC interactions, we show that SCLC cells derive a robust proliferation advantage when co-cultured with neurons. Moreover, the repression of glutamate release and the stimulation of the inhibitory glutamate receptor GRM8 displayed therapeutic efficacy in an autochthonous mouse model of SCLC. Therefore, following malignant transformation, SCLC cells appear to hijack glutamatergic signaling to sustain tumor growth, thereby exposing a novel entry route for therapeutic intervention.