A systematic computational method predicts new uses for existing drugs by integrating public gene expression signatures of drugs and diseases.

Kras is commonly mutated in colon cancers, but mutations in Nras are rare. We have used genetically engineered mice to determine whether and how these related oncogenes regulate homeostasis and tumorigenesis in the colon. Expression of K-Ras(G12D) in the colonic epithelium stimulated hyperproliferation in a Mek-dependent manner. N-Ras(G12D) did not alter the growth properties of the epithelium, but was able to confer resistance to apoptosis. In the context of an Apc-mutant colonic tumor, activation of K-Ras led to defects in terminal differentiation and expansion of putative stem cells within the tumor epithelium. This K-Ras tumor phenotype was associated with attenuated signaling through the MAPK pathway, and human colon cancer cells expressing mutant K-Ras were hypersensitive to inhibition of Raf, but not Mek. These studies demonstrate clear phenotypic differences between mutant Kras and Nras, and suggest that the oncogenic phenotype of mutant K-Ras might be mediated by noncanonical signaling through Ras effector pathways.

The bromodomain and extraterminal (BET) inhibitor JQ1 synergizes with the histone deacetylase inhibitor SAHA to suppress tumor growth in mouse models of pancreatic cancer. Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is one of the most lethal human cancers and shows resistance to any therapeutic strategy used. Here we tested small-molecule inhibitors targeting chromatin regulators as possible therapeutic agents in PDAC. We show that JQ1, an inhibitor of the bromodomain and extraterminal (BET) family of proteins, suppresses PDAC development in mice by inhibiting both MYC activity and inflammatory signals. The histone deacetylase (HDAC) inhibitor SAHA synergizes with JQ1 to augment cell death and more potently suppress advanced PDAC. Finally, using a CRISPR-Cas9–based method for gene editing directly in the mouse adult pancreas, we show that de-repression of p57 (also known as KIP2 or CDKN1C) upon combined BET and HDAC inhibition is required for the induction of combination therapy–induced cell death in PDAC. SAHA is approved for human use, and molecules similar to JQ1 are being tested in clinical trials. Thus, these studies identify a promising epigenetic-based therapeutic strategy that may be rapidly implemented in fatal human tumors.

Abstract Osteosarcoma is a highly aggressive cancer for which treatment has remained essentially unchanged for more than 30 years. Osteosarcoma is characterized by widespread and recurrent somatic copy-number alterations (SCNA) and structural rearrangements. In contrast, few recurrent point mutations in protein-coding genes have been identified, suggesting that genes within SCNAs are key oncogenic drivers in this disease. SCNAs and structural rearrangements are highly heterogeneous across osteosarcoma cases, suggesting the need for a genome-informed approach to targeted therapy. To identify patient-specific candidate drivers, we used a simple heuristic based on degree and rank order of copy-number amplification (identified by whole-genome sequencing) and changes in gene expression as identified by RNA sequencing. Using patient-derived tumor xenografts, we demonstrate that targeting of patient-specific SCNAs leads to significant decrease in tumor burden, providing a road map for genome-informed treatment of osteosarcoma. Significance: Osteosarcoma is treated with a chemotherapy regimen established 30 years ago. Although osteosarcoma is genomically complex, we hypothesized that tumor-specific dependencies could be identified within SCNAs. Using patient-derived tumor xenografts, we found a high degree of response for “genome-matched” therapies, demonstrating the utility of a targeted genome-informed approach. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1

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.

Abstract Models to study metastatic disease in rare cancers are needed to advance preclinical therapeutics and to gain insight into disease biology, especially for highly aggressive cancers with a propensity for metastatic spread. Osteosarcoma is a rare cancer with a complex genomic landscape in which outcomes for patients with metastatic disease are poor. As osteosarcoma genomes are highly heterogeneous, a large panel of models is needed to fully elucidate key aspects of disease biology and to recapitulate clinically-relevant phenotypes. We describe the development and characterization of osteosarcoma patient-derived xenografts (PDXs) and a panel of PDX-derived cell lines. Matched patient samples, PDXs, and PDX-derived cell lines were comprehensively evaluated using whole genome sequencing and RNA sequencing. PDXs and PDX-derived cell lines largely maintained the expression profiles of the patient from which they were derived despite the emergence of whole-genome duplication (WGD) in a subset of cell lines. These cell line models were heterogeneous in their metastatic capacity and their tissue tropism as observed in both intravenous and orthotopic models. As proof-of-concept study, we used one of these models to test the preclinical effectiveness of a CDK inhibitor on the growth of metastatic tumors in an orthotopic amputation model. Single-agent dinaciclib was effective at dramatically reducing the metastatic burden in this model. Graphical Abstract