Epithelial-mesenchymal transition (EMT) has been associated with metastatic spread and EGF receptor (EGFR) inhibitor resistance. We developed and validated a robust 76-gene EMT signature using gene expression profiles from four platforms using non-small cell lung carcinoma (NSCLC) cell lines and patients treated in the Biomarker-Integrated Approaches of Targeted Therapy for Lung Cancer Elimination (BATTLE) study.We conducted an integrated gene expression, proteomic, and drug response analysis using cell lines and tumors from patients with NSCLC. A 76-gene EMT signature was developed and validated using gene expression profiles from four microarray platforms of NSCLC cell lines and patients treated in the BATTLE study, and potential therapeutic targets associated with EMT were identified.Compared with epithelial cells, mesenchymal cells showed significantly greater resistance to EGFR and PI3K/Akt pathway inhibitors, independent of EGFR mutation status, but more sensitivity to certain chemotherapies. Mesenchymal cells also expressed increased levels of the receptor tyrosine kinase Axl and showed a trend toward greater sensitivity to the Axl inhibitor SGI-7079, whereas the combination of SGI-7079 with erlotinib reversed erlotinib resistance in mesenchymal lines expressing Axl and in a xenograft model of mesenchymal NSCLC. In patients with NSCLC, the EMT signature predicted 8-week disease control in patients receiving erlotinib but not other therapies.We have developed a robust EMT signature that predicts resistance to EGFR and PI3K/Akt inhibitors, highlights different patterns of drug responsiveness for epithelial and mesenchymal cells, and identifies Axl as a potential therapeutic target for overcoming EGFR inhibitor resistance associated with the mesenchymal phenotype.

Background Breast cancer cell lines have been used widely to investigate breast cancer pathobiology and new therapies. Breast cancer is a molecularly heterogeneous disease, and it is important to understand how well and which cell lines best model that diversity. In particular, microarray studies have identified molecular subtypes–luminal A, luminal B, ERBB2-associated, basal-like and normal-like–with characteristic gene-expression patterns and underlying DNA copy number alterations (CNAs). Here, we studied a collection of breast cancer cell lines to catalog molecular profiles and to assess their relation to breast cancer subtypes. Methods Whole-genome DNA microarrays were used to profile gene expression and CNAs in a collection of 52 widely-used breast cancer cell lines, and comparisons were made to existing profiles of primary breast tumors. Hierarchical clustering was used to identify gene-expression subtypes, and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) to discover biological features of those subtypes. Genomic and transcriptional profiles were integrated to discover within high-amplitude CNAs candidate cancer genes with coordinately altered gene copy number and expression. Findings Transcriptional profiling of breast cancer cell lines identified one luminal and two basal-like (A and B) subtypes. Luminal lines displayed an estrogen receptor (ER) signature and resembled luminal-A/B tumors, basal-A lines were associated with ETS-pathway and BRCA1 signatures and resembled basal-like tumors, and basal-B lines displayed mesenchymal and stem/progenitor-cell characteristics. Compared to tumors, cell lines exhibited similar patterns of CNA, but an overall higher complexity of CNA (genetically simple luminal-A tumors were not represented), and only partial conservation of subtype-specific CNAs. We identified 80 high-level DNA amplifications and 13 multi-copy deletions, and the resident genes with concomitantly altered gene-expression, highlighting known and novel candidate breast cancer genes. Conclusions Overall, breast cancer cell lines were genetically more complex than tumors, but retained expression patterns with relevance to the luminal-basal subtype distinction. The compendium of molecular profiles defines cell lines suitable for investigations of subtype-specific pathobiology, cancer stem cell biology, biomarkers and therapies, and provides a resource for discovery of new breast cancer genes.

Abstract The molecular underpinnings that drive the heterogeneity of KRAS-mutant lung adenocarcinoma are poorly characterized. We performed an integrative analysis of genomic, transcriptomic, and proteomic data from early-stage and chemorefractory lung adenocarcinoma and identified three robust subsets of KRAS-mutant lung adenocarcinoma dominated, respectively, by co-occurring genetic events in STK11/LKB1 (the KL subgroup), TP53 (KP), and CDKN2A/B inactivation coupled with low expression of the NKX2-1 (TTF1) transcription factor (KC). We further revealed biologically and therapeutically relevant differences between the subgroups. KC tumors frequently exhibited mucinous histology and suppressed mTORC1 signaling. KL tumors had high rates of KEAP1 mutational inactivation and expressed lower levels of immune markers, including PD-L1. KP tumors demonstrated higher levels of somatic mutations, inflammatory markers, immune checkpoint effector molecules, and improved relapse-free survival. Differences in drug sensitivity patterns were also observed; notably, KL cells showed increased vulnerability to HSP90-inhibitor therapy. This work provides evidence that co-occurring genomic alterations identify subgroups of KRAS-mutant lung adenocarcinoma with distinct biology and therapeutic vulnerabilities. Significance: Co-occurring genetic alterations in STK11/LKB1, TP53, and CDKN2A/B—the latter coupled with low TTF1 expression—define three major subgroups of KRAS-mutant lung adenocarcinoma with distinct biology, patterns of immune-system engagement, and therapeutic vulnerabilities. Cancer Discov; 5(8); 860–77. ©2015 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 783

Abstract By expressing two genes (hTERT and Cdk4), we have developed a method to reproducibly generate continuously replicating human bronchial epithelial cell (HBEC) lines that provide a novel resource to study the molecular pathogenesis of lung cancer and the differentiation of bronchial epithelial cells. Twelve human bronchial epithelial biopsy specimens obtained from persons with and without lung cancer were placed into short-term culture and serially transfected with retroviral constructs containing cyclin-dependent kinase (Cdk) 4 and human telomerase reverse transcriptase (hTERT), resulting in continuously growing cultures. The order of introduction of Cdk4 and hTERT did not appear to be important; however, transfection of either gene alone did not result in immortalization. Although they could be cloned, the immortalized bronchial cells did not form colonies in soft agar or tumors in nude mice. The immortalized HBECs have epithelial morphology; express epithelial markers cytokeratins 7, 14, 17, and 19, the stem cell marker p63, and high levels of p16INK4a; and have an intact p53 checkpoint pathway. Cytogenetic analysis and array comparative genomic hybridization profiling show immortalized HBECs to have duplication of parts of chromosomes 5 and 20. Microarray gene expression profiling demonstrates that the Cdk4/hTERT-immortalized bronchial cell lines clustered together and with nonimmortalized bronchial cells, distinct from lung cancer cell lines. We also immortalized several parental cultures with viral oncoproteins human papilloma virus type 16 E6/E7 with and without hTERT, and these cells exhibited loss of the p53 checkpoint and significantly different gene expression profiles compared with Cdk4/hTERT-immortalized HBECs. These HBEC lines are a valuable new tool for studying of the pathogenesis of lung cancer.

Abstract Changes in DNA copy number contribute to cancer pathogenesis. We now show that high-density single nucleotide polymorphism (SNP) arrays can detect copy number alterations. By hybridizing genomic representations of breast and lung carcinoma cell line and lung tumor DNA to SNP arrays, and measuring locus-specific hybridization intensity, we detected both known and novel genomic amplifications and homozygous deletions in these cancer samples. Moreover, by combining genotyping with SNP quantitation, we could distinguish loss of heterozygosity events caused by hemizygous deletion from those that occur by copy-neutral events. The simultaneous measurement of DNA copy number changes and loss of heterozygosity events by SNP arrays should strengthen our ability to discover cancer-causing genes and to refine cancer diagnosis.

The epidermal growth factor receptor (EGFR) is overexpressed in the majority of non-small cell lung cancers (NSCLC). EGFR tyrosine kinase inhibitors, such as gefitinib and erlotinib, produce 9% to 27% response rates in NSCLC patients. E-Cadherin, a calcium-dependent adhesion molecule, plays an important role in NSCLC prognosis and progression, and interacts with EGFR. The zinc finger transcriptional repressor, ZEB1, inhibits E-cadherin expression by recruiting histone deacetylases (HDAC). We identified a significant correlation between sensitivity to gefitinib and expression of E-cadherin, and ZEB1, suggesting their predictive value for responsiveness to EGFR-tyrosine kinase inhibitors. E-Cadherin transfection into a gefitinib-resistant line increased its sensitivity to gefitinib. Pretreating resistant cell lines with the HDAC inhibitor, MS-275, induced E-cadherin along with EGFR and led to a growth-inhibitory and apoptotic effect of gefitinib similar to that in gefitinib-sensitive NSCLC cell lines including those harboring EGFR mutations. Thus, combined HDAC inhibitor and gefitinib treatment represents a novel pharmacologic strategy for overcoming resistance to EGFR inhibitors in patients with lung cancer.

Abstract The SH2 domain-containing protein-tyrosine phosphatase PTPN11 (Shp2) is required for normal development and is an essential component of signaling pathways initiated by growth factors, cytokines, and extracellular matrix. In many of these pathways, Shp2 acts upstream of Ras. About 50% of patients with Noonan syndrome have germ-line PTPN11 gain of function mutations. Associations between Noonan syndrome and an increased risk of some malignancies, notably leukemia and neuroblastoma, have been reported, and recent data indicate that somatic PTPN11 mutations occur in children with sporadic juvenile myelomonocytic leukemia, myelodysplasic syndrome, B-cell acute lymphoblastic leukemia, and acute myelogenous leukemia (AML). Juvenile myelomonocytic leukemia patients without PTPN11 mutations have either homozygotic NF-1 deletion or activating RAS mutations. Given the role of Shp2 in Ras activation and the frequent mutation of RAS in human tumors, these data raise the possibility that PTPN11 mutations play a broader role in cancer. We asked whether PTPN11 mutations occur in other malignancies in which activating RAS mutations occur at low but significant frequency. Sequencing of PTPN11 from 13 different human neoplasms including breast, lung, gastric, and neuroblastoma tumors and adult AML and acute lymphoblastic leukemia revealed 11 missense mutations. Five are known mutations predicted to result in an activated form of Shp2, whereas six are new mutations. Biochemical analysis confirmed that several of the new mutations result in increased Shp2 activity. Our data demonstrate that mutations in PTPN11 occur at low frequency in several human cancers, especially neuroblastoma and AML, and suggest that Shp2 may be a novel target for antineoplastic therapy.

Lung cancer is the leading cause of cancer death worldwide, and adenocarcinoma is its most common histological subtype. Clinical and molecular evidence indicates that lung adenocarcinoma is a heterogeneous disease, which has important implications for treatment. Here we performed genome-scale DNA methylation profiling using the Illumina Infinium HumanMethylation27 platform on 59 matched lung adenocarcinoma/non-tumor lung pairs, with genome-scale verification on an independent set of tissues. We identified 766 genes showing altered DNA methylation between tumors and non-tumor lung. By integrating DNA methylation and mRNA expression data, we identified 164 hypermethylated genes showing concurrent down-regulation, and 57 hypomethylated genes showing increased expression. Integrated pathways analysis indicates that these genes are involved in cell differentiation, epithelial to mesenchymal transition, RAS and WNT signaling pathways, and cell cycle regulation, among others. Comparison of DNA methylation profiles between lung adenocarcinomas of current and never-smokers showed modest differences, identifying only LGALS4 as significantly hypermethylated and down-regulated in smokers. LGALS4 , encoding a galactoside-binding protein involved in cell–cell and cell–matrix interactions, was recently shown to be a tumor suppressor in colorectal cancer. Unsupervised analysis of the DNA methylation data identified two tumor subgroups, one of which showed increased DNA methylation and was significantly associated with KRAS mutation and to a lesser extent, with smoking. Our analysis lays the groundwork for further molecular studies of lung adenocarcinoma by identifying novel epigenetically deregulated genes potentially involved in lung adenocarcinoma development/progression, and by describing an epigenetic subgroup of lung adenocarcinoma associated with characteristic molecular alterations.

Clinical resistance to epidermal growth factor receptor (EGFR) inhibition in lung cancer has been linked to the emergence of the EGFR T790M resistance mutation or amplification of MET. Additional mechanisms contributing to EGFR inhibitor resistance remain elusive. By applying combined analyses of gene expression, copy number, and biochemical analyses of EGFR inhibitor responsiveness, we identified homozygous loss of PTEN to segregate EGFR-dependent and EGFR-independent cells. We show that in EGFR-dependent cells, PTEN loss partially uncouples mutant EGFR from downstream signaling and activates EGFR, thereby contributing to erlotinib resistance. The clinical relevance of our findings is supported by the observation of PTEN loss in 1 out of 24 primary EGFR-mutant non-small cell lung cancer (NSCLC) tumors. These results suggest a novel resistance mechanism in EGFR-mutant NSCLC involving PTEN loss.