We have identified a region within the steroid binding domain of the mouse estrogen receptor that is required for both receptor dimerization and high affinity DNA binding. Analysis of sequences in this region revealed that a heptad repeat of hydrophobic residues was conserved in all members of the nuclear receptor superfamily. Single amino acid substitutions of residues in the N-terminal half, but not the C-terminal half, of the repeat prevented receptor dimerization. Steroid binding was abolished by point mutations in the center of the conserved region, implying that the steroid binding and dimerization domains overlap. The role of this region in steroid receptor function is discussed in relation to other models of protein dimerization and DNA binding.

Abstract The high frequency of activating RAS or BRAF mutations in cancer provides strong rationale for targeting the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. Selective BRAF and MAP-ERK kinase (MEK) inhibitors have shown clinical efficacy in patients with melanoma. However, the majority of responses are transient, and resistance is often associated with pathway reactivation of the extracellular signal-regulated kinase (ERK) signaling pathway. Here, we describe the identification and characterization of SCH772984, a novel and selective inhibitor of ERK1/2 that displays behaviors of both type I and type II kinase inhibitors. SCH772984 has nanomolar cellular potency in tumor cells with mutations in BRAF, NRAS, or KRAS and induces tumor regressions in xenograft models at tolerated doses. Importantly, SCH772984 effectively inhibited MAPK signaling and cell proliferation in BRAF or MEK inhibitor–resistant models as well as in tumor cells resistant to concurrent treatment with BRAF and MEK inhibitors. These data support the clinical development of ERK inhibitors for tumors refractory to MAPK inhibitors. Significance: BRAF and MEK inhibitors have activity in MAPK-dependent cancers with BRAF or RAS mutations. However, resistance is associated with pathway alterations resulting in phospho-ERK reactivation. Here, we describe a novel ERK1/2 kinase inhibitor that has antitumor activity in MAPK inhibitor-naïve and MAPK inhibitor-resistant cells containing BRAF or RAS mutations. Cancer Discov; 3(7); 742–50. ©2013 AACR. See related commentary by Nissan et al., p. 719 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 705

Abstract Mcl-1 is a member of the Bcl-2 family of proteins that promotes cell survival by preventing induction of apoptosis in many cancers. High expression of Mcl-1 causes tumorigenesis and resistance to anticancer therapies highlighting the potential of Mcl-1 inhibitors as anticancer drugs. Here, we describe AZD5991, a rationally designed macrocyclic molecule with high selectivity and affinity for Mcl-1 currently in clinical development. Our studies demonstrate that AZD5991 binds directly to Mcl-1 and induces rapid apoptosis in cancer cells, most notably myeloma and acute myeloid leukemia, by activating the Bak-dependent mitochondrial apoptotic pathway. AZD5991 shows potent antitumor activity in vivo with complete tumor regression in several models of multiple myeloma and acute myeloid leukemia after a single tolerated dose as monotherapy or in combination with bortezomib or venetoclax. Based on these promising data, a Phase I clinical trial has been launched for evaluation of AZD5991 in patients with hematological malignancies (NCT03218683).

Many estrogen-antagonist and -agonist ligands have been synthesized, some of which have proved clinically important in the treatment of hormone-dependent breast tumors and endocrine disorders. Here we show that the "pure" antiestrogen ICI 164,384 inhibits mouse estrogen receptor-DNA binding in vitro. The effects of this steroid on DNA binding can be overcome by addition of anti-receptor antibody whose epitope lies N-terminal to the receptor DNA-binding domain. Since this antibody is also capable of restoring DNA-binding activity to receptor mutants that either lack the dimerization domain or bear deleterious mutations within it, we propose that ICI 164,384 reduces DNA binding by interfering with receptor dimerization. In contrast, when complexed with the antagonist/partial agonist tamoxifen, the estrogen receptor is capable of binding to DNA in vitro, but tamoxifen does not promote the agonist-induced conformational change obtained with estradiol. The implications of these data are discussed in relation to the in vivo properties of these drugs.

DNA-dependent protein kinase (DNA-PK) is a critical player in the DNA damage response (DDR) and instrumental in the non-homologous end-joining pathway (NHEJ) used to detect and repair DNA double-strand breaks (DSBs). We demonstrate that the potent and highly selective DNA-PK inhibitor, AZD7648, is an efficient sensitizer of radiation- and doxorubicin-induced DNA damage, with combinations in xenograft and patient-derived xenograft (PDX) models inducing sustained regressions. Using ATM-deficient cells, we demonstrate that AZD7648, in combination with the PARP inhibitor olaparib, increases genomic instability, resulting in cell growth inhibition and apoptosis. AZD7648 enhanced olaparib efficacy across a range of doses and schedules in xenograft and PDX models, enabling sustained tumour regression and providing a clear rationale for its clinical investigation. Through its differentiated mechanism of action as an NHEJ inhibitor, AZD7648 complements the current armamentarium of DDR-targeted agents and has potential in combination with these agents to achieve deeper responses to current therapies.

Low success rates during drug development are due in part to the difficulty of defining drug mechanism-of-action and molecular markers of therapeutic activity. Here, we integrated 199,219 drug sensitivity measurements for 397 unique anti-cancer drugs and genome-wide CRISPR loss-of-function screens in 484 cell lines to systematically investigate in cellular drug mechanism-of-action. We observed an enrichment for positive associations between drug sensitivity and knockout of their nominal targets, and by leveraging protein-protein networks we identified pathways that mediate drug response. This revealed an unappreciated role of mitochondrial E3 ubiquitin-protein ligase MARCH5 in sensitivity to MCL1 inhibitors. We also estimated drug on-target and off-target activity, informing on specificity, potency and toxicity. Linking drug and gene dependency together with genomic datasets uncovered contexts in which molecular networks when perturbed mediate cancer cell loss-of-fitness, and thereby provide independent and orthogonal evidence of biomarkers for drug development. This study illustrates how integrating cell line drug sensitivity with CRISPR loss-of-function screens can elucidate mechanism-of-action to advance drug development.

The effectiveness of most cancer targeted therapies is short lived since tumors evolve and develop resistance. Combinations of drugs offer the potential to overcome resistance, however the number of possible combinations is vast necessitating data-driven approaches to find optimal treatments tailored to a patient's tumor. AstraZeneca carried out 11,576 experiments on 910 drug combinations across 85 cancer cell lines, recapitulating in vivo response profiles. These data, the largest openly available screen, were hosted by DREAM alongside deep molecular characterization from the Sanger Institute for a Challenge to computationally predict synergistic drug pairs and associated biomarkers. 160 teams participated to provide the most comprehensive methodological development and subsequent benchmarking to date. Winning methods incorporated prior knowledge of putative drug target interactions. For >60% of drug combinations synergy was reproducibly predicted with an accuracy matching biological replicate experiments, however 20% of drug combinations were poorly predicted by all methods. Genomic rationale for synergy predictions were identified, including antagonism unique to combined PIK3CB/D inhibition with the ADAM17 inhibitor where synergy is seen with other PI3K pathway inhibitors. All data, methods and code are freely available as a resource to the community.