The mitochondrial state of a tumor cell prior to chemotherapy may help determine how well it responds to drug treatment.

There is a lack of effective predictive biomarkers to precisely assign optimal therapy to cancer patients. While most efforts are directed at inferring drug response phenotype based on genotype, there is very focused and useful phenotypic information to be gained from directly perturbing the patient’s living cancer cell with the drug(s) in question. To satisfy this unmet need, we developed the Dynamic BH3 Profiling technique to measure early changes in net pro-apoptotic signaling at the mitochondrion (“priming”) induced by chemotherapeutic agents in cancer cells, not requiring prolonged ex vivo culture. We find in cell line and clinical experiments that early drug-induced death signaling measured by Dynamic BH3 Profiling predicts chemotherapy response across many cancer types and many agents, including combinations of chemotherapies. We propose that Dynamic BH3 Profiling can be used as a broadly applicable predictive biomarker to predict cytotoxic response of cancers to chemotherapeutics in vivo.

Resistance to the Bruton's tyrosine kinase (BTK) inhibitor ibrutinib has been attributed solely to mutations in BTK and related pathway molecules. Using whole-exome and deep-targeted sequencing, we dissect evolution of ibrutinib resistance in serial samples from five chronic lymphocytic leukaemia patients. In two patients, we detect BTK-C481S mutation or multiple PLCG2 mutations. The other three patients exhibit an expansion of clones harbouring del(8p) with additional driver mutations (EP300, MLL2 and EIF2A), with one patient developing trans-differentiation into CD19-negative histiocytic sarcoma. Using droplet-microfluidic technology and growth kinetic analyses, we demonstrate the presence of ibrutinib-resistant subclones and estimate subclone size before treatment initiation. Haploinsufficiency of TRAIL-R, a consequence of del(8p), results in TRAIL insensitivity, which may contribute to ibrutinib resistance. These findings demonstrate that the ibrutinib therapy favours selection and expansion of rare subclones already present before ibrutinib treatment, and provide insight into the heterogeneity of genetic changes associated with ibrutinib resistance.

Highlights•(R)-2-hydroxyglutarate, produced by IDH1/2 mutants, inhibits the BCAT transaminases•IDH mutant gliomas display a transamination-dependent glutamate biosynthesis defect•BCAT loss increases reliance on glutaminase for glutamate and glutathione synthesis•Mutant IDH and glutaminase inhibition are synthetic lethal under oxidative stressSummaryIDH1 mutations are common in low-grade gliomas and secondary glioblastomas and cause overproduction of (R)-2HG. (R)-2HG modulates the activity of many enzymes, including some that are linked to transformation and some that are probably bystanders. Although prior work on (R)-2HG targets focused on 2OG-dependent dioxygenases, we found that (R)-2HG potently inhibits the 2OG-dependent transaminases BCAT1 and BCAT2, likely as a bystander effect, thereby decreasing glutamate levels and increasing dependence on glutaminase for the biosynthesis of glutamate and one of its products, glutathione. Inhibiting glutaminase specifically sensitized IDH mutant glioma cells to oxidative stress in vitro and to radiation in vitro and in vivo. These findings highlight the complementary roles for BCATs and glutaminase in glutamate biosynthesis, explain the sensitivity of IDH mutant cells to glutaminase inhibitors, and suggest a strategy for maximizing the effectiveness of such inhibitors against IDH mutant gliomas.Graphical abstract

Although poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors are active in homologous recombination (HR)-deficient cancers, their utility is limited by acquired resistance after restoration of HR. Here, we report that dinaciclib, an inhibitor of cyclin-dependent kinases (CDKs) 1, 2, 5, and 9, additionally has potent activity against CDK12, a transcriptional regulator of HR. In BRCA-mutated triple-negative breast cancer (TNBC) cells and patient-derived xenografts (PDXs), dinaciclib ablates restored HR and reverses PARP inhibitor resistance. Additionally, we show that de novo resistance to PARP inhibition in BRCA1-mutated cell lines and a PDX derived from a PARP-inhibitor-naive BRCA1 carrier is mediated by residual HR and is reversed by CDK12 inhibition. Finally, dinaciclib augments the degree of response in a PARP-inhibitor-sensitive model, converting tumor growth inhibition to durable regression. These results highlight the significance of HR disruption as a therapeutic strategy and support the broad use of combined CDK12 and PARP inhibition in TNBC.

Significance Poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors have produced responses in homologous recombination (HR) repair-deficient cancers, such as those with a mutated breast cancer 1, early onset ( BRCA1 ) gene. We have delineated a two-event mechanism of acquired resistance by using a BRCA1 BRCA C-terminal (BRCT) domain-mutated breast cancer cell line, involving heat shock protein (HSP)90-mediated stabilization of the mutant protein coupled with tumor protein p53 binding protein 1 ( TP53BP1 ) gene mutation, which together restore DNA end resection and RAD51 filament formation, critical steps in HR. Similar events may occur in primary BRCA1 -mutated ovarian cancers as cells develop resistance to platinum. The data demonstrate that, even though BRCA1 BRCT domain mutant proteins cannot promote DNA end resection, they retain partial function and can contribute to RAD51 loading and HR. Finally, HSP90 inhibition may prove useful for resensitizing resistant BRCA1 -mutant cancer cells to drug treatment.

ABSTRACT Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) maintains cardiovascular and renal homeostasis but also serves as the entry receptor for the novel severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2), the causal agent of novel coronavirus disease 2019 (COVID-19) 1 . COVID-19 disease severity, while highly variable, is typically lower in pediatric patients than adults (particularly the elderly), but increased rates of hospitalizations requiring intensive care are observed in infants than in older children. The reasons for these differences are unknown. To detect potential age-based correlates of disease severity, we measured ACE2 protein expression at the single cell level in human lung tissue specimens from over 100 donors from ∼4 months to 75 years of age. We found that expression of ACE2 in distal lung epithelial cells generally increases with advancing age but exhibits extreme intra- and inter-individual heterogeneity. Notably, we also detected ACE2 expression on neonatal airway epithelial cells and within the lung parenchyma. Similar patterns were found at the transcript level: ACE2 mRNA is expressed in the lung and trachea shortly after birth, downregulated during childhood, and again expressed at high levels in late adulthood in alveolar epithelial cells. Furthermore, we find that apoptosis, which is a natural host defense system against viral infection, is also dynamically regulated during lung maturation, resulting in periods of heightened apoptotic priming and dependence on pro-survival BCL-2 family proteins including MCL-1. Infection of human lung cells with SARS-CoV-2 triggers an unfolded protein stress response and upregulation of the endogenous MCL-1 inhibitor Noxa; in juveniles, MCL-1 inhibition is sufficient to trigger apoptosis in lung epithelial cells – this may limit virion production and inflammatory signaling. Overall, we identify strong and distinct correlates of COVID-19 disease severity across lifespan and advance our understanding of the regulation of ACE2 and cell death programs in the mammalian lung. Furthermore, our work provides the framework for potential translation of apoptosis modulating drugs as novel treatments for COVID-19.

Cristae membrane state plays a central role in regulating mitochondrial function and cellular metabolism. The protein Optic atrophy 1 (Opa1) is an important crista remodeler that exists as two forms in the mitochondrion, a membrane-anchored long form (l-Opa1) and a processed short form (s-Opa1). The mechanisms for how Opa1 influences cristae shape have remained unclear due to lack of native three-dimensional views of cristae. We perform in situ cryo-electron tomography of cryo-focused ion beam milled mouse embryonic fibroblasts with defined Opa1 states to understand how each form of Opa1 influences cristae architecture. In our tomograms, we observe a variety of cristae shapes with distinct trends dependent on s-Opa1:l-Opa1 balance. Increased l-Opa1 levels promote cristae stacking and elongated mitochondria while increased s-Opa1 levels correlated with irregular cristae packing and round mitochondria shape. Functional assays indicate a role for l-Opa1 in wild-type apoptotic and calcium handling responses, and compromised respiratory function under Opa1 imbalance. In summary, we provide three-dimensional visualization of cristae architecture to reveal relationships between mitochondrial ultrastructure and cellular function dependent on Opa1-mediated membrane remodeling.

SUMMARY DNA damage can activate apoptotic and non-apoptotic forms of cell death; however, it remains unclear what features dictate which type of cell death is activated. We report that p53 controls the choice between apoptotic and non-apoptotic death following exposure to DNA damage. In contrast to the conventional model, which suggests that p53-deficient cells should be resistant to DNA damage-induced cell death, we find that p53-deficient cells die at high rates following DNA damage, but exclusively using non-apoptotic mechanisms. Our experimental data and computational modeling reveal that non-apoptotic death in p53-deficient cells has not been observed due to use of assays that are either insensitive to cell death, or that specifically score apoptotic cells. Using functional genetic screening – with an analysis that enables computational inference of the drug-induced death rate – we find in p53-deficient cells that DNA damage activates a mitochondrial respiration-dependent form of cell death, called MPT-driven necrosis. Cells deficient for p53 have high basal respiration, which primes MPT-driven necrosis. Finally, using metabolite profiling, we identified mitochondrial activity-dependent metabolic vulnerabilities that can be targeted to potentiate the lethality of DNA damage specifically in p53-deficient cells. Our findings reveal how the dual functions of p53 in regulating mitochondrial activity and the DNA damage response combine to facilitate the choice between apoptotic and non-apoptotic death.

Abstract Genome-wide genetic screens have identified cellular dependencies in many cancers. Using the Broad Institute’s Achilles shRNA screening dataset, we mined for targetable dependencies by cell lineage. Our studies identified a strong dependency on BCL2L1 , which encodes the BCL-X L anti-apoptotic protein, in a subset of kidney cancer cells. Genetic and pharmacological inactivation of BCL-X L , but not the related anti-apoptotic proteins BCL-2, led to fitness defects in renal cancer cells, and also sensitized them to chemotherapeutics. Neither BCL-X L levels (absolute or normalized to BCL-2) nor the status of the VHL gene, which is frequently mutated in kidney cancer, predicted BCL-X L dependence. Transcriptional profiling, however, identified a ‘BCL-X L dependency’ mRNA signature, which included elevated mesenchymal gene expression in BCL-X L dependent cells. Promoting mesenchymal transition increased BCL-X L dependence; whereas, conversion to a more differentiated state overcame BCL-X L dependence in kidney cancer cells. The ‘BCL-X L dependency’ mRNA signature was observed in almost a third of human clear cell Renal Cell Carcinomas (ccRCCs), which were also associated with worse clinical outcomes. Finally, an orally bioavailable BCL-X L inhibitor, A-1331852, showed anti-tumor efficacy in vivo . Altogether, our studies uncovered an unexpected link between cancer cell state and dependence on the anti-apoptotic BCL-X L protein and justify further testing on BCL-X L blockade as a potential way to target a clinically aggressive subset of human kidney cancers. One Sentence Summary Cell state, but not pVHL and/or HIF status, defines the dependency of kidney cancer cells on the BCL-X L anti-apoptotic protein.