The problem of resistance to therapy in cancer is multifaceted. Here we take a reductionist approach to define and separate the key determinants of drug resistance, which include tumour burden and growth kinetics; tumour heterogeneity; physical barriers; the immune system and the microenvironment; undruggable cancer drivers; and the many consequences of applying therapeutic pressures. We propose four general solutions to drug resistance that are based on earlier detection of tumours permitting cancer interception; adaptive monitoring during therapy; the addition of novel drugs and improved pharmacological principles that result in deeper responses; and the identification of cancer cell dependencies by high-throughput synthetic lethality screens, integration of clinico-genomic data and computational modelling. These different approaches could eventually be synthesized for each tumour at any decision point and used to inform the choice of therapy.

ABSTRACT Protein phosphorylation is one of the most widespread post-translational modifications in biology. With the advent of mass spectrometry-based phosphoproteomics, more than 200,000 sites of serine and threonine phosphorylation have been reported, of which several thousand have been associated with human diseases and biological processes. For the vast majority of phosphorylation events, it is not yet known which of the more than 300 protein Ser/Thr kinases encoded in the human genome is responsible. Here, we utilize synthetic peptide libraries to profile the substrate sequence specificity of nearly every functional human Ser/Thr kinase. Viewed in its entirety, the substrate specificity of the kinome was substantially more diverse than expected and was driven extensively by negative selectivity. Our kinome-wide dataset was used to computationally annotate and identify the most likely protein kinases for every reported phosphorylation site in the human Ser/Thr phosphoproteome. For the small minority of phosphosites where the protein kinases involved have been previously identified, our predictions were in excellent agreement. When this approach was applied to examine the signaling response of tissues and cell lines to hormones, growth factors, targeted inhibitors, and environmental or genetic perturbations, it revealed unexpected insights into pathway complexity and compensation. Overall, these studies reveal the full extent of substrate specificity of the human Ser/Thr kinome, illuminate cellular signaling responses, and provide a rich resource to link unannotated phosphorylation events to biological pathways.

ABSTRACT The cell autonomous balance of immune-inhibitory and -stimulatory signals is a critical yet poorly understood process in cancer immune evasion. Using patient-derived co-culture models and humanized mouse models, we show that an intact CD58:CD2 interaction is necessary for anti-tumor immunity. Defects in this axis lead to multi-faceted immune evasion through impaired CD2-dependent T cell polyfunctionality, T cell exclusion, impaired intra-tumoral proliferation, and concurrent protein stabilization of PD-L1. We performed genome-scale CRISPR-Cas9 and CD58 coimmunoprecipitation mass spectrometry screens identifying CMTM6 as a key stabilizer of CD58, and show that CMTM6 is required for concurrent upregulation of PD-L1 in CD58 loss. Single-cell RNA-seq analysis of patient melanoma samples demonstrates that most TILs lack expression of primary costimulatory signals required for response to PD-1 blockade (e.g. CD28 ), but maintain strong CD2 expression, thus providing an opportunity to mobilize a so far therapeutically untapped pool of TILs for anti-tumor immunity. We identify two potential therapeutic avenues, including rescued activation of human CD2 -expressing TILs using recombinant CD58 protein, and targeted disruption of PD-L1/CMTM6 interactions. Our work identifies an underappreciated yet critical axis at the nexus of cancer immunity and evasion, uncovers a fundamental mechanism of co-inhibitory and -stimulatory signal balancing, and provides new approaches to improving cancer immunotherapies.

Base editing enables generation of single nucleotide variants, but large-scale screening in primary human T cells is limited due to low editing efficiency, among other challenges 1 . Here, we developed a high-throughput approach for high-efficiency and massively parallel adenine and cytosine base-editor screening in primary human T cells. We performed multiple large-scale screens editing 102 genes with central functions in T cells and full-length tiling mutagenesis of selected genes, and read out variant effects on hallmarks of T cell anti-tumor immunity, including activation, proliferation, and cytokine production. We discovered a broad landscape of gain- and loss-of-function mutations, including in PIK3CD and its regulatory subunit encoded by PIK3R1, LCK , AKT1, CTLA-4 and JAK1 . We identified variants that affected several (e.g., PIK3CD C416R) or only selected (e.g. LCK Y505C) hallmarks of T cell activity, and functionally validated several hits by probing downstream signaling nodes and testing their impact on T cell polyfunctionality and proliferation. Using primary human T cells in which we engineered a T cell receptor (TCR) specific to a commonly presented tumor testis antigen as a model for cellular immunotherapy, we demonstrate that base edits identified in our screens can tune specific or broad T cell functions and ultimately improve tumor elimination while exerting minimal off-target activity. In summary, we present the first large-scale base editing screen in primary human T cells and provide a framework for scalable and targeted base editing at high efficiency. Coupled with multi-modal phenotypic mapping, we accurately nominate variants that produce a desirable T cell state and leverage these synthetic proteins to improve models of cellular cancer immunotherapies.

SUMMARY The phosphoinositide 3-kinase, p110α, is an essential mediator of insulin signaling and glucose homeostasis. We systematically interrogated the human serine, threonine, and tyrosine kinome to search for novel regulators of p110α and found that the Hippo kinases phosphorylate and completely inhibit its activity. This inhibitory state corresponds to a conformational change of a membrane binding domain on p110α, which impairs its ability to engage membranes. In human primary hepatocytes, cancer cell lines, and rodent tissues, activation of the Hippo kinases, MST1/2, using forskolin or epinephrine is associated with phosphorylation and inhibition of p110α, impairment of downstream insulin signaling, and suppression of glycolysis and glycogen synthesis. These changes are abrogated when MST1/2 are genetically deleted or inhibited with small molecules. Our study reveals a novel inhibitory pathway of PI3K signaling and a previously unappreciated link between epinephrine and insulin signaling.