Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of metastatic lung cancer was performed using 49 clinical biopsies obtained from 30 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNA-seq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell-state transition, whereas those present at on-therapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap-junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNA-seq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.

Analysis of a large cohort of EGFR-mutant lung cancer cell-free DNA samples along with longitudinal samples from a patient with EGFR-mutant lung cancer identifies pathways that inhibit EGFR-inhibitor response. Co-occurring genetic alterations influence clinical outcomes and underscore the need for combination therapies. A widespread approach to modern cancer therapy is to identify a single oncogenic driver gene and target its mutant-protein product (for example, EGFR-inhibitor treatment in EGFR-mutant lung cancers). However, genetically driven resistance to targeted therapy limits patient survival. Through genomic analysis of 1,122 EGFR-mutant lung cancer cell-free DNA samples and whole-exome analysis of seven longitudinally collected tumor samples from a patient with EGFR-mutant lung cancer, we identified critical co-occurring oncogenic events present in most advanced-stage EGFR-mutant lung cancers. We defined new pathways limiting EGFR-inhibitor response, including WNT/β-catenin alterations and cell-cycle-gene (CDK4 and CDK6) mutations. Tumor genomic complexity increases with EGFR-inhibitor treatment, and co-occurring alterations in CTNNB1 and PIK3CA exhibit nonredundant functions that cooperatively promote tumor metastasis or limit EGFR-inhibitor response. This study calls for revisiting the prevailing single-gene driver-oncogene view and links clinical outcomes to co-occurring genetic alterations in patients with advanced-stage EGFR-mutant lung cancer.

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 Targeted therapy is effective in many tumor types including lung cancer, the leading cause of cancer mortality. Paradigm defining examples are targeted therapies directed against non-small cell lung cancer (NSCLC) subtypes with oncogenic alterations in EGFR, ALK and KRAS. The success of targeted therapy is limited by drug-tolerant tumor cells which withstand and adapt to treatment and comprise the residual disease state that is typical during treatment with clinical targeted therapies. Here, we integrate studies in patient-derived and immunocompetent lung cancer models and clinical specimens obtained from patients on targeted therapy to uncover a focal adhesion kinase (FAK)-YAP signaling axis that promotes residual disease during oncogenic EGFR-, ALK-, and KRAS-targeted therapies. FAK-YAP signaling inhibition combined with the primary targeted therapy suppressed residual drug-tolerant cells and enhanced tumor responses. This study unveils a FAK-YAP signaling module that promotes residual disease in lung cancer and mechanism-based therapeutic strategies to improve tumor response.

PURPOSE To assess the safety and efficacy of the third-generation epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitor osimertinib as neoadjuvant therapy in patients with surgically resectable stage I-IIIA EGFR-mutated non–small cell lung cancer (NSCLC). PATIENTS AND METHODS This was a multi-institutional phase II trial of neoadjuvant osimertinib for patients with surgically resectable stage I-IIIA (American Joint Committee on Cancer [AJCC] V7) EGFR-mutated (L858R or exon 19 deletion) NSCLC (ClinicalTrials.gov identifier: NCT03433469 ). Patients received osimertinib 80 mg orally once daily for up to two 28-day cycles before surgical resection. The primary end point was major pathological response (MPR) rate. Secondary safety and efficacy end points were also assessed. Exploratory end points included pretreatment and post-treatment tumor mutation profiling. RESULTS A total of 27 patients were enrolled and treated with neoadjuvant osimertinib for a median 56 days before surgical resection. Twenty-four (89%) patients underwent subsequent surgery; three (11%) patients were converted to definitive chemoradiotherapy. The MPR rate was 14.8% (95% CI, 4.2 to 33.7). No pathological complete responses were observed. The ORR was 52%, and the median DFS was 40.9 months. One treatment-related serious adverse event (AE) occurred (3.7%). No patients were unable to undergo surgical resection or had surgery delayed because of an AE. The most common co-occurring tumor genomic alterations were in TP53 (42%) and RBM10 (21%). CONCLUSION Treatment with neoadjuvant osimertinib in surgically resectable (stage IA-IIIA, AJCC V7) EGFR-mutated NSCLC did not meet its primary end point for MPR rate. However, neoadjuvant osimertinib did not lead to unanticipated AEs, surgical delays, nor result in a significant unresectability rate.

Abstract Molecularly targeted cancer therapy has improved outcomes for cancer patients with targetable oncoproteins, such as mutant epidermal growth factor receptor ( EGFR ) in lung cancer. Yet, long-term patient survival remains limited because treatment responses are typically incomplete. One potential explanation for the lack of complete and durable responses is that oncogene-driven cancers with activating mutations in the EGFR often harbor additional co-occurring genetic alterations. This hypothesis remains untested for most genetic alterations that co-occur with mutant EGFR . Here, we report the functional impact of inactivating genetic alteration of the mRNA splicing factor RBM10 that co-occur with mutant EGFR . RBM10 deficiency decreased EGFR inhibitor efficacy in patient-derived EGFR mutant tumor models. RBM10 modulated mRNA alternative splicing of the mitochondrial apoptotic regulator Bcl-x to regulate tumor cell apoptosis during treatment. Genetic inactivation of RBM10 diminished EGFR inhibitor-mediated apoptosis by decreasing the ratio of Bcl-xS-(pro-apoptotic)-to-Bcl-xL(anti-apoptotic) Bcl-x isoforms. RBM10 deficiency was a biomarker of poor response to EGFR inhibitor treatment in clinical samples. Co-inhibition of Bcl-xL and mutant EGFR overcame resistance induced by RBM10 deficiency. This study sheds light on the role of co-occurring genetic alterations, and on the impact of splicing factor deficiency in the modulation of sensitivity to targeted kinase inhibitor cancer therapy.

The current understanding of tumorigenesis is largely centered on a monogenic driver oncogene model. This paradigm is incompatible with the prevailing clinical experience in most solid malignancies: monotherapy with a drug directed against an individual oncogenic driver typically results in incomplete clinical responses and eventual tumor progression1-7. By profiling the somatic genetic alterations present in over 2,000 cases of lung cancer, the leading cause of cancer mortality worldwide8,9, we show that combinations of functional genetic alterations, i.e. genetic collectives dominate the landscape of advanced-stage disease. We highlight this polygenic landscape and evolution of advanced-stage non-small cell lung cancer (NSCLC) through the spatial-temporal genomic profiling of 7 distinct tumor biopsy specimens and 6 plasma specimens obtained from an EGFR-mutant NSCLC patient at (1) initial diagnosis of early-stage disease, (2) metastatic progression, (3) sequential treatment and resistance to 2 EGFR inhibitors, (4) death. The comprehensive genomic analysis of this case, coupled with circulating free (cf) tumor DNA profiling of additional advanced-stage EGFR-mutant NSCLC clinical cohorts with associated treatment responses uncovered features of evolutionary selection for multiple concurrent gene alterations: including the presence of EGFR inhibitor-sensitive (EGFRL858R;EGFRexon19del) or inhibitor-resistant (EGFRT790M;EGFRC797S) forms of oncogenic EGFR along with cell cycle gene alterations (e.g. in CDK4/6, CCNE1, RB1) and activating alterations in WNT/β-catenin and PI3K pathway genes, which our data suggest can cooperatively impart non-redundant functions to limit EGFR targeted therapy response and/or promote tumor progression. Moreover, evidence of an unanticipated parallel evolution of both EGFRT790M and two distinct forms of oncogenic PIK3CA was observed. Our study provides a large-scale clinical and genetic dataset of advanced-stage EGFR-mutant NSCLC, a rationale for specific polytherapy strategies such as EGFR and CDK4/6 inhibitor co-treatment to potentially enhance clinical outcomes, and prompts a re-evaluation of the prevailing paradigm of monogenic-based molecular stratification for targeted therapy. Instead, our findings highlight an alternative model of genetic collectives that operate through epistasis to drive lung cancer progression and therapy resistance.

PURPOSE While patients with advanced-stage non-small cell lung cancers (NSCLCs) harboring MET exon 14 skipping mutations ( METex 14) often benefit from MET tyrosine kinase inhibitor (TKI) treatment, clinical benefit is limited by primary and acquired drug resistance. The molecular basis for this resistance remains incompletely understood.METHODS Targeted sequencing analysis was performed on cell-free circulating tumor DNA obtained from 289 patients with advanced-stage METex 14-mutated NSCLC.RESULTS Prominent co-occurring RAS-MAPK pathway gene alterations (e.g. in KRAS, NF1 ) were detected in NSCLCs with METex 14 skipping alterations as compared to EGFR -mutated NSCLCs. There was an association between decreased MET TKI treatment response and RAS-MAPK pathway co-occurring alterations. In a preclinical model expressing a canonical METex 14 mutation, KRAS overexpression or NF1 downregulation hyperactivated MAPK signaling to promote MET TKI resistance. This resistance was overcome by co-treatment with crizotinib and the MEK inhibitor trametinib.CONCLUSION Our study provides a genomic landscape of co-occurring alterations in advanced-stage METex 14-mutated NSCLC and suggests a potential combination therapy strategy targeting MAPK pathway signaling to enhance clinical outcomes.

Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNAseq) of metastatic lung cancer was performed using 44 tumor biopsies obtained longitudinally from 27 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNAseq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell state transition, whereas those present at on-therapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNAseq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.