Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth and expansion to neighboring and distal tissues. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53(KP)-driven lung adenocarcinoma and tracked tumor evolution from single-transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that the loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by a transient increase in plasticity. This was followed by the adoption of distinct transcriptional programs that enable rapid expansion and, ultimately, clonal sweep of stable subclones capable of metastasizing. Finally, tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates progression by creating novel trajectories. Our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution and, more broadly, enables in-depth studies of tumor progression.

Residual cancer cells that survive drug treatments with targeted therapies act as a reservoir from which eventual resistant disease emerges. Although there is great interest in therapeutically targeting residual cells, efforts are hampered by our limited knowledge of the vulnerabilities existing in this cell state. Here, we report that diverse oncogene-targeted therapies, including inhibitors of epidermal growth factor receptor (EGFR), anaplastic lymphoma kinase (ALK), KRAS, and BRAF, induce DNA double-strand breaks and, consequently, ataxia-telangiectasia mutated (ATM)-dependent DNA repair in oncogene-matched residual tumor cells. This DNA damage response, observed in cell lines, mouse xenograft models, and human patients, is driven by a pathway involving the activation of caspases 3 and 7 and the downstream caspase-activated deoxyribonuclease (CAD). CAD is, in turn, activated through caspase-mediated degradation of its endogenous inhibitor, ICAD. In models of EGFR mutant non-small cell lung cancer (NSCLC), tumor cells that survive treatment with small-molecule EGFR-targeted therapies are thus synthetically dependent on ATM, and combined treatment with an ATM kinase inhibitor eradicates these cells in vivo. This led to more penetrant and durable responses in EGFR mutant NSCLC mouse xenograft models, including those derived from both established cell lines and patient tumors. Last, we found that rare patients with EGFR mutant NSCLC harboring co-occurring, loss-of-function mutations in ATM exhibit extended progression-free survival on first generation EGFR inhibitor therapy relative to patients with EGFR mutant NSCLC lacking deleterious ATM mutations. Together, these findings establish a rationale for the mechanism-based integration of ATM inhibitors alongside existing targeted therapies.

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 Cancer progression is characterized by rare, transient events which are nonetheless highly consequential to disease etiology and mortality. Detailed cell phylogenies can recount the history and chronology of these critical events – including metastatic seeding. Here, we applied our Cas9-based lineage tracer to study the subclonal dynamics of metastasis in a lung cancer xenograft mouse model, revealing the underlying rates, routes, and drivers of metastasis. We report deeply resolved phylogenies for tens of thousands of metastatically disseminated cancer cells. We observe surprisingly diverse metastatic phenotypes, ranging from metastasis-incompetent to aggressive populations. These phenotypic distinctions result from pre-existing, heritable, and characteristic differences in gene expression, and we demonstrate that these differentially expressed genes can drive invasiveness. Furthermore, metastases transit via diverse, multidirectional tissue routes and seeding topologies. Our work demonstrates the power of tracing cancer progression at unprecedented resolution and scale. One Sentence Summary Single-cell lineage tracing and RNA-seq capture diverse metastatic behaviors and drivers in lung cancer xenografts in mice.

SUMMARY Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth, expansion to neighboring and distal tissues, and therapeutic resistance. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53 (KP)-driven lung adenocarcinoma which enabled us to track tumor evolution from single transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by transient increase in plasticity. This was followed by adoption of distinct fitness-associated transcriptional programs which enable rapid expansion and ultimately clonal sweep of rare, stable subclones capable of metastasizing to distant sites. Finally, we showed that tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates tumor progression by creating novel evolutionary paths. Overall, our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution, and more broadly enables the in-depth study of tumor progression.

Abstract Drug resistance remains a central challenge towards durable cancer therapy, including for cancers driven by the EML4-ALK oncogene. EML4-ALK and related fusion oncogenes form cytoplasmic protein condensates that transmit oncogenic signals through the Ras/Erk pathway. However, whether such condensates play a role in drug response is unclear. Here, we used optogenetics to find that condensates suppress signaling through endogenous RTKs including EGFR. Notably, ALK inhibition hypersensitized RTK signals, which are known to drive resistance. Suppression of RTKs occurred because condensates sequestered downstream adapter proteins that are required for RTK signal transmission. Strikingly, EGFR hypersensitization resulted in rapid and pulsatile Erk signal reactivation, which originated from neighboring apoptotic cells. Paracrine signals promoted survival during ALK inhibition, and blockade of paracrine signals suppressed drug tolerance. Our results uncover a regulatory role for RTK fusion condensates in cancer drug response and demonstrate the potential of optogenetics for uncovering functional biomarkers of cancer cells.

Abstract The phenomenon of mixed/heterogenous treatment responses to cancer therapies within an individual patient presents a challenging clinical scenario. Furthermore, the molecular basis of mixed intra-patient tumor responses remains unclear. Here, we show that patients with metastatic lung adenocarcinoma harbouring co-mutations of EGFR and TP53 , are more likely to have mixed intra-patient tumor responses to EGFR tyrosine kinase inhibition (TKI), compared to those with an EGFR mutation alone. The combined presence of whole genome doubling (WGD) and TP53 co-mutations leads to increased genome instability and genomic copy number aberrations in genes implicated in EGFR TKI resistance. Using mouse models and an in vitro isogenic p53 -mutant model system, we provide evidence that WGD provides diverse routes to drug resistance by increasing the probability of acquiring copy-number gains or losses relative to non-WGD cells. These data provide a molecular basis for mixed tumor responses to targeted therapy, within an individual patient, with implications for therapeutic strategies.

Abstract While oncogenes promote cancer cell growth, unrestrained proliferation represents a significant stressor to cellular homeostasis networks such as the DNA damage response (DDR). To enable oncogene tolerance, many cancers disable tumor suppressive DDR signaling through genetic loss of DDR pathways and downstream effectors (e.g., ATM or p53 tumor suppressor mutations). Whether and how oncogenes can help “self-tolerize” by creating analogous functional deficiencies in physiologic DDR networks is not known. Here we focus on Ewing sarcoma, a FET fusion oncoprotein (EWS-FLI1) driven pediatric bone tumor, as a model for the class of FET rearranged cancers. Native FET protein family members are among the earliest factors recruited to DNA double-strand breaks (DSBs) during the DDR, though the function of both native FET proteins and FET fusion oncoproteins in DNA repair remains to be defined. Using preclinical mechanistic studies of the DDR and clinical genomic datasets from patient tumors, we discover that the EWS-FLI1 fusion oncoprotein is recruited to DNA DSBs and interferes with native FET (EWS) protein function in activating the DNA damage sensor ATM. As a consequence of FET fusion-mediated interference with the DDR, we establish functional ATM deficiency as the principal DNA repair defect in Ewing sarcoma and the compensatory ATR signaling axis as a collateral dependency and therapeutic target in multiple FET rearranged cancers. More generally, we find that aberrant recruitment of a fusion oncoprotein to sites of DNA damage can disrupt physiologic DSB repair, revealing a mechanism for how growth-promoting oncogenes can also create a functional deficiency within tumor suppressive DDR networks.

8572 Background: The third-generation Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitor (TKI) osimertinib is effective for the treatment of advanced EGFR-mutated lung adenocarcinoma (LUAD), however treatment resistance invariably occurs. We previously identified Aurora Kinase A (AURKA) activation as a mechanism of resistance to osimertinib. Alisertib is an oral, selective, small-molecule inhibitor of AURKA. We evaluated the combination of alisertib with osimertinib in a phase I/Ib study of patients with advanced EGFR-mutated LUAD who experienced disease progression on prior treatment with osimertinib monotherapy. Methods: 21 total patients were treated in an open-label, single-center phase I trial (NCT04085315). 10 patients were treated in a 3+3 dose escalation phase with alisertib using an intermittent dosing strategy of 30 mg (n = 6) or 40 mg (n = 4) twice daily (BID) on days (d) 1-3, 8-11, and 15-17 of a 28-day cycle in combination with osimertinib 80 mg daily. 11 additional patients were treated at the 30 mg alisertib intermittent dosing schedule in combination with osimertinib 80 mg daily in a Phase Ib dose expansion. Primary endpoints were safety, maximum tolerated dose (MTD), and recommended phase II dose (RP2D) of the alisertib and osimertinib combination. Secondary endpoints were investigator-assessed objective response rate (ORR) by RECIST 1.1 criteria, depth of response (DoR), disease control rate (DCR) for at least 12 weeks, progression-free survival (PFS) and overall survival (OS). Results: 21 patients with stage IV EGFR-mutated LUAD (76.1% exon 19 deletion; 14.3% L858R; 9.5 % L861Q) who had progressed on osimertinib were enrolled. 10 (47.6%) patients had received only first-line osimertinib, while 11 (52.3%) had received ≥ 2 lines of prior therapy. Common treatment-related adverse events were neutropenia (42.9%), anemia (42.9%), and diarrhea (38.1%). 2 patients had dose limiting toxicities from grade 4 neutropenia at the alisertib 40mg BID dose level. 2 patients had serious adverse events related to the study drugs, including grade 3 constipation and grade 4 anemia. There were no treatment-related deaths. Intermittent alisertib 30 mg BID with osimertinib 80 mg daily was the MTD and R2PD. ORR for all enrolled patients was 9.5% (95% CI: 1.2% to 30.4%), DCR was 81% (95% CI: 58.1% to 94.6%), and median DoR was -4 % (95% CI: -15% to 10%). The median PFS was 5.5 months (95% CI: 3.7 – 13.2 months) and median OS was 23.5 months (95% CI: 11.9 months – NR). Conclusions: Intermittent dosing of alisertib 30 mg BID in combination with osimertinib 80 mg daily demonstrated no dose limiting toxicities and was identified as the RP2D. While ORR was < 10%, DCR was > 80% and the median PFS was 5.5 months. These results are comparable to other emerging therapies for patients with advanced osimertinib resistant EGFR-mutated LUAD and warrants further exploration. Clinical trial information: NCT04085315 .

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.