Abstract Osimertinib sensitive and resistant NSCLC NCI-H1975 clones were used to model osimertinib acquired resistance in humanized mice and delineate potential resistance mechanisms. No new EGFR mutations or loss of the EGFR T790M mutation were found in resistant clones. Resistant tumors in humanized mice were initially partially responsive to osimertinib, then aggressive tumor regrowth occurred accompanied by an immunosuppressive tumor microenvironment. 3-phosphoinositide-dependent kinase 1 (PDK1) was identified as a potential driver of osimertinib acquired resistance, and its selective inhibition by BX795 and CRISPR gene knock out, sensitized resistant clones and a patient derived xenograft (PDX) with acquired resistance to osimertinib. PDK1 knock-out dysregulated PI3K/Akt/mTOR signaling, promoted cell cycle arrest at the G1 phase, and inhibited nuclear translocation of yes-associated protein (YAP). Higher expression of PDK1 was found in patients with progressive disease following osimertinib treatment. PDK1 is a central upstream regulator of two critical drug resistance pathways: PI3K/AKT/mTOR and YAP.

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 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.

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.

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.