Introductory paragraph The clinical success of targeted cancer therapy is limited by drug resistance that renders cancers lethal in patients 1-4 . Human tumours can evolve therapy resistance by acquiring de novo genetic alterations and increased heterogeneity via mechanisms that remain incompletely understood 1 . Here, through parallel analysis of human clinical samples, tumour xenograft and cell line models and murine model systems, we uncover an unanticipated mechanism of therapy-induced adaptation that fuels the evolution of drug resistance. Targeted therapy directed against EGFR and ALK oncoproteins in lung cancer induced adaptations favoring apolipoprotein B mRNA-editing enzyme, catalytic polypeptide (APOBEC)-mediated genome mutagenesis. In human oncogenic EGFR -driven and ALK -driven lung cancers and preclinical models, EGFR or ALK inhibitor treatment induced the expression and DNA mutagenic activity of APOBEC3B via therapy-mediated activation of NF-κB signaling. Moreover, targeted therapy also mediated downregulation of certain DNA repair enzymes such as UNG2, which normally counteracts APOBEC-catalyzed DNA deamination events. In mutant EGFR -driven lung cancer mouse models, APOBEC3B was detrimental to tumour initiation and yet advantageous to tumour progression during EGFR targeted therapy, consistent with TRACERx data demonstrating subclonal enrichment of APOBEC-mediated mutagenesis. This study reveals how cancers adapt and drive genetic diversity in response to targeted therapy and identifies APOBEC deaminases as future targets for eliciting more durable clinical benefit to targeted cancer therapy.

ABSTRACT Triple negative breast cancers (TNBC) exhibit inter- and intra-tumour heterogeneity, which is reflected in diverse drug responses and interplays with tumour evolution. Here, we use TNBC patient-derived tumour xenografts (PDTX) as a platform for co-clinical trials to test their predictive value and explore the molecular features of drug response and resistance. Patients and their matched PDTX exhibited mirrored drug responses to neoadjuvant therapy in a clinical trial. In parallel, additional clinically-relevant treatments were tested in PDTXs in vivo to identify alternative effective therapies for each PDTX model. This framework establishes the foundation for anticipatory personalised therapies for those patients with resistant or relapsed tumours. The PDTXs were further explored to model PDTX- and treatment-specific behaviours. The dynamics of drug response were characterised at single-cell resolution revealing a novel mechanism of response to olaparib. Upon olaparib treatment PDTXs showed phenotypic plasticity, including transient activation of the immediate-early response and irreversible sequential phenotypic switches: from epithelial to epithelial-mesenchymal-hybrid states, and then to mesenchymal states. This molecular mechanism was exploited ex vivo by combining olaparib and salinomycin (an inhibitor of mesenchymal-transduced cells) to reveal synergistic effects. In summary, TNBC PDTXs have the potential to help design individualised treatment strategies derived from model-specific evolutionary insights.

The IκB kinase ε (IKKε) is a key molecule at the crossroads of inflammation and cancer. Known for its role as an activator of NFκB and IRF3 signalling leading to cytokine secretion, the kinase is also a breast cancer oncogene, overexpressed in a variety of tumours. However, to what extent IKKε remodels cellular metabolism is currently unknown. Here we used a combination of metabolomics and phosphoproteomics to show that IKKε orchestrates a complex metabolic reprogramming that affects mitochondrial metabolism and serine biosynthesis. Acting independently of its canonical signalling role, IKKε upregulates the serine biosynthesis pathway (SBP) mainly by limiting glucose and pyruvate derived anaplerosis of the TCA cycle. In turn, this elicits activation of the transcription factor ATF4 and upregulation of the SBP genes. Importantly, pharmacological inhibition of the IKKε-induced metabolic phenotype reduces proliferation of breast cancer cells. Finally, we show that in a set of basal ER negative and highly proliferative human breast cancer tumours, IKKε and PSAT1 expression levels are positively correlated corroborating the link between IKKε and the SBP in the clinical context.