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.

Abstract Genetic interactions impact both normal human physiology and human diseases, such as cancer. Here, we study genetic interactions through the lens of human lung cancers driven by oncogenic forms of the epidermal growth factor receptor (EGFR), which we and others previously showed harbor a rich landscape of genetic co-alterations and potential genetic interactions. Among the most common genetic co-alterations with oncogenic EGFR are genomic amplifications of cell cycle regulators CDK4 or CDK6 , which have been implicated in EGFR inhibitor clinical resistance, although the mechanism underlying this effect is not well characterized. We show that CDK4/6 upregulation overcomes EGFR inhibitor-induced G1/S cell cycle arrest in association with increased replication stress, DNA damage and genomic instability. These biological effects arising in CDK4/6 upregulated tumors help to enable resistance to EGFR targeted therapies through established genetic resistance mechanisms. Combinatorial EGFR and CDK4/6 inhibitor treatment alleviated genomic instability and EGFR inhibitor resistance in patient-derived preclinical models. This study reveals mechanistic and clinical impacts of the genetic interaction between oncogenic EGFR and CDK4/6 co-alterations in human lung cancer.