Frequent loss-of-function mutations in KEAP1, a master regulator of the NRF2 antioxidant pathway, accelerate mutant KRAS driven lung carcinogenesis, but also impose a dependency of these tumors on glutaminolysis. Using a precision medicine–based approach, this work uncovers a metabolic vulnerability of KRAS–KEAP1-mutant lung cancers that can be therapeutically exploited using currently available glutaminase inhibitors and provides a scientific rationale for patient selection in clinical trials. Treating KRAS-mutant lung adenocarcinoma (LUAD) remains a major challenge in cancer treatment given the difficulties associated with directly inhibiting the KRAS oncoprotein1. One approach to addressing this challenge is to define mutations that frequently co-occur with those in KRAS, which themselves may lead to therapeutic vulnerabilities in tumors. Approximately 20% of KRAS-mutant LUAD tumors carry loss-of-function mutations in the KEAP1 gene encoding Kelch-like ECH-associated protein 1 (refs. 2, 3, 4), a negative regulator of nuclear factor erythroid 2-like 2 (NFE2L2; hereafter NRF2), which is the master transcriptional regulator of the endogenous antioxidant response5,6,7,8,9,10. The high frequency of mutations in KEAP1 suggests an important role for the oxidative stress response in lung tumorigenesis. Using a CRISPR–Cas9-based approach in a mouse model of KRAS-driven LUAD, we examined the effects of Keap1 loss in lung cancer progression. We show that loss of Keap1 hyperactivates NRF2 and promotes KRAS-driven LUAD in mice. Through a combination of CRISPR–Cas9-based genetic screening and metabolomic analyses, we show that Keap1- or Nrf2-mutant cancers are dependent on increased glutaminolysis, and this property can be therapeutically exploited through the pharmacological inhibition of glutaminase. Finally, we provide a rationale for stratification of human patients with lung cancer harboring KRAS/KEAP1- or KRAS/NRF2-mutant lung tumors as likely to respond to glutaminase inhibition.

Approximately 30% of human lung cancers acquire mutations in either Keap1 or Nfe2l2, resulting in the stabilization of Nrf2, the Nfe2l2 gene product, which controls oxidative homeostasis. Here, we show that heme triggers the degradation of Bach1, a pro-metastatic transcription factor, by promoting its interaction with the ubiquitin ligase Fbxo22. Nrf2 accumulation in lung cancers causes the stabilization of Bach1 by inducing Ho1, the enzyme catabolizing heme. In mouse models of lung cancers, loss of Keap1 or Fbxo22 induces metastasis in a Bach1-dependent manner. Pharmacological inhibition of Ho1 suppresses metastasis in a Fbxo22-dependent manner. Human metastatic lung cancer display high levels of Ho1 and Bach1. Bach1 transcriptional signature is associated with poor survival and metastasis in lung cancer patients. We propose that Nrf2 activates a metastatic program by inhibiting the heme- and Fbxo22-mediated degradation of Bach1, and that Ho1 inhibitors represent an effective therapeutic strategy to prevent lung cancer metastasis.

Despite advances in clinical therapy, metastasis remains the leading cause of death in breast cancer patients. Mutations in mitochondrial DNA, including those affecting complex I and oxidative phosphorylation, are found in breast tumors and could facilitate metastasis. This study identifies mitochondrial complex I as critical for defining an aggressive phenotype in breast cancer cells. Specific enhancement of mitochondrial complex I activity inhibited tumor growth and metastasis through regulation of the tumor cell NAD+/NADH redox balance, mTORC1 activity, and autophagy. Conversely, nonlethal reduction of NAD+ levels by interfering with nicotinamide phosphoribosyltransferase expression rendered tumor cells more aggressive and increased metastasis. The results translate into a new therapeutic strategy: enhancement of the NAD+/NADH balance through treatment with NAD+ precursors inhibited metastasis in xenograft models, increased animal survival, and strongly interfered with oncogene-driven breast cancer progression in the MMTV-PyMT mouse model. Thus, aberration in mitochondrial complex I NADH dehydrogenase activity can profoundly enhance the aggressiveness of human breast cancer cells, while therapeutic normalization of the NAD+/NADH balance can inhibit metastasis and prevent disease progression.

Abstract Loss-of-function mutations in KEAP1 frequently occur in lung cancer and are associated with resistance to standard of care treatment, highlighting the need for the development of targeted therapies. We have previously shown that KEAP1 mutant tumors have increased glutamine consumption to support the metabolic rewiring associated with NRF2 activation. Here, using patient-derived xenograft models and antigenic orthotopic lung cancer models, we show that the novel glutamine antagonist DRP-104 impairs the growth of KEAP1 mutant tumors. We find that DRP-104 suppresses KEAP1 mutant tumor growth by inhibiting glutamine-dependent nucleotide synthesis and promoting anti-tumor CD4 and CD8 T cell responses. Using multimodal single-cell sequencing and ex vivo functional assays, we discover that DRP-104 reverses T cell exhaustion and enhances the function of CD4 and CD8 T cells culminating in an improved response to anti-PD1 therapy. Our pre-clinical findings provide compelling evidence that DRP-104, currently in phase 1 clinical trials, offers a promising therapeutic approach for treating patients with KEAP1 mutant lung cancer. Furthermore, we demonstrate that by combining DRP-104 with checkpoint inhibition, we can achieve suppression of tumor intrinsic metabolism and augmentation of anti-tumor T cell responses.

Tumor mutations can influence the surrounding microenvironment leading to suppression of anti-tumor immune responses and thereby contributing to tumor progression and failure of cancer therapies. Here we use genetically engineered lung cancer mouse models and patient samples to dissect how LKB1 mutations accelerate tumor growth by reshaping the immune microenvironment. Comprehensive immune profiling of LKB1 -mutant vs wildtype tumors revealed dramatic changes in myeloid cells, specifically enrichment of Arg1 + interstitial macrophages and SiglecF Hi neutrophils. We discovered a novel mechanism whereby autocrine LIF signaling in Lkb1 -mutant tumors drives tumorigenesis by reprogramming myeloid cells in the immune microenvironment. Inhibiting LIF signaling in Lkb1 -mutant tumors, via gene targeting or with a neutralizing antibody, resulted in a striking reduction in Arg1 + interstitial macrophages and SiglecF Hi neutrophils, expansion of antigen specific T cells, and inhibition of tumor progression. Thus, targeting LIF signaling provides a new therapeutic approach to reverse the immunosuppressive microenvironment of LKB1 -mutant tumors.