Although mechanisms of acquired resistance of epidermal growth factor receptor (EGFR)-mutant non-small-cell lung cancers to EGFR inhibitors have been identified, little is known about how resistant clones evolve during drug therapy. Here we observe that acquired resistance caused by the EGFR(T790M) gatekeeper mutation can occur either by selection of pre-existing EGFR(T790M)-positive clones or via genetic evolution of initially EGFR(T790M)-negative drug-tolerant cells. The path to resistance impacts the biology of the resistant clone, as those that evolved from drug-tolerant cells had a diminished apoptotic response to third-generation EGFR inhibitors that target EGFR(T790M); treatment with navitoclax, an inhibitor of the anti-apoptotic factors BCL-xL and BCL-2 restored sensitivity. We corroborated these findings using cultures derived directly from EGFR inhibitor-resistant patient tumors. These findings provide evidence that clinically relevant drug-resistant cancer cells can both pre-exist and evolve from drug-tolerant cells, and they point to therapeutic opportunities to prevent or overcome resistance in the clinic.

Abstract Acquired drug resistance to even the most effective anti-cancer targeted therapies remains an unsolved clinical problem. Although many drivers of acquired drug resistance have been identified 1‒6 , the underlying molecular mechanisms shaping tumor evolution during treatment are incompletely understood. The extent to which therapy actively drives tumor evolution by promoting mutagenic processes 7 or simply provides the selective pressure necessary for the outgrowth of drug-resistant clones 8 remains an open question. Here, we report that lung cancer targeted therapies commonly used in the clinic induce the expression of cytidine deaminase APOBEC3A (A3A), leading to sustained mutagenesis in drug-tolerant cancer cells persisting during therapy. Induction of A3A facilitated the formation of double-strand DNA breaks (DSBs) in cycling drug-treated cells, and fully resistant clones that evolved from drug-tolerant intermediates exhibited an elevated burden of chromosomal aberrations such as copy number alterations and structural variations. Preventing therapy-induced A3A mutagenesis either by gene deletion or RNAi-mediated suppression delayed the emergence of drug resistance. Finally, we observed accumulation of A3A mutations in lung cancer patients who developed drug resistance after treatment with sequential targeted therapies. These data suggest that induction of A3A mutagenesis in response to targeted therapy treatment may facilitate the development of acquired resistance in non-small-cell lung cancer. Thus, suppressing expression or enzymatic activity of A3A may represent a potential therapeutic strategy to prevent or delay acquired resistance to lung cancer targeted therapy.