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.

Targeted cancer therapies have produced substantial clinical responses, but most tumors develop resistance to these drugs. Here, we describe a pharmacogenomic platform that facilitates rapid discovery of drug combinations that can overcome resistance. We established cell culture models derived from biopsy samples of lung cancer patients whose disease had progressed while on treatment with epidermal growth factor receptor (EGFR) or anaplastic lymphoma kinase (ALK) tyrosine kinase inhibitors and then subjected these cells to genetic analyses and a pharmacological screen. Multiple effective drug combinations were identified. For example, the combination of ALK and MAPK kinase (MEK) inhibitors was active in an ALK -positive resistant tumor that had developed a MAP2K1 activating mutation, and the combination of EGFR and fibroblast growth factor receptor (FGFR) inhibitors was active in an EGFR mutant resistant cancer with a mutation in FGFR3 . Combined ALK and SRC (pp60c-src) inhibition was effective in several ALK-driven patient-derived models, a result not predicted by genetic analysis alone. With further refinements, this strategy could help direct therapeutic choices for individual patients.

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.

The conventional outflow pathway is a complex tissue responsible for maintaining intraocular pressure (IOP) homeostasis. The coordinated effort of multiple cells with differing responsibilities ensure healthy outflow function and IOP maintenance. Dysfunction of one or more resident cell type results in ocular hypertension and risk for glaucoma, a leading cause of blindness. In this study, single cell RNA sequencing was performed to generate a comprehensive cell atlas of human conventional outflow tissues. We obtained 17757 genes expression profiles from 8758 cells from eight eyes of four donors representing the outflow cell transcriptome. Upon clustering analysis, 12 distinct cell types were identified, and region-specific expression of candidate genes were mapped in human tissues. Significantly, we identified two distinct expression patterns (myofibroblast and fibroblast) from cells located in the trabecular meshwork (TM), the primary structural component of the conventional outflow pathway. We also located neuron and macrophage signatures in the TM. The second primary component structure, Schlemms canal displayed a unique combination of lymphatic/blood vascular gene expression. Other expression clusters corresponded to cells from neighboring tissues, predominantly in the ciliary muscle/scleral spur, which together correspond to the uveoscleral outflow path. Importantly, the utility of our atlas was demonstrated by mapping glaucoma- relevant genes to outflow cell clusters. Our study provides a comprehensive molecular and cellular classification of conventional and unconventional outflow pathway structures responsible for IOP homeostasis.