Abstract The tumor suppressor gene TP53 is the most frequently mutated gene in various cancers. Unlike other tumor suppressors, TP53 is mostly hit by missense mutations, of which more than 2,000 have been described in cancer patients. To take advantage of TP53 mutation status for personalized therapy, a deeper knowledge of the functional ramifications of specific mutations is required as evidence of the functional heterogeneity of mutant p53 proteins mounts. Here, we report on a CRISPR-based saturation mutagenesis screen of 9,225 variants expressed from the endogenous TP53 gene locus of a cancer cell. By tracking changes in the abundance of individual variants in response to specific p53-pathway stimulation, we were able to construct high-resolution functional activity maps of the TP53 mutome, covering ∼94.5% of all cancer-associated missense mutations. The results demonstrate the impact of individual mutations on tumor cell fitness with unprecedented precision and coverage, even revealing underlying mechanisms such as apoptosis. The high discriminatory power also resolves subtle loss-of-function phenotypes and highlights a subset of mutants as particularly promising targets for pharmacological reactivation. Moreover, the data offer intriguing insight into the role of aberrant splicing and nonsense-mediated mRNA decay in clearing truncated proteins due to not only nonsense, frameshift, and splice-site mutations but also missense and synonymous mutations. Surprisingly, no missense mutation provided an immediate proliferative advantage over a null mutation. Nonetheless, cells with a missense, but not null mutations, acquired pro-metastatic properties after prolonged growth in mice, emphasizing the significance of mutant p53-directed clonal evolution in the progression of tumors towards metastasis.

Survivin is a drug target and the survivin suppressant YM155 a drug candidate for high-risk neuroblastoma. Findings from one YM155-adapted subline of the neuroblastoma cell line UKF-NB-3 had suggested that increased ABCB1 (mediates YM155 efflux) levels, decreased SLC35F2 (mediates YM155 uptake) levels, decreased survivin levels, and TP53 mutations indicate YM155 resistance. Here, the investigation of ten additional YM155-adapted UKF-NB-3 sublines only confirmed the roles of ABCB1 and SLC35F2. However, cellular ABCB1 and SLC35F2 levels did not indicate YM155 sensitivity in YM155-naive cells, as indicated by drug response data derived from the Cancer Therapeutics Response Portal (CTRP) and the Genomics of Drug Sensitivity in Cancer (GDSC) databases. Moreover, the resistant sublines were characterised by a remarkable heterogeneity. Only seven sublines developed on-target resistance as indicated by resistance to RNAi-mediated survivin depletion. The sublines also varied in their response to other anti-cancer drugs. In conclusion, cancer cell populations of limited intrinsic heterogeneity can develop various resistance phenotypes in response to treatment. Therefore, individualised therapies will require monitoring of cancer cell evolution in response to treatment. Moreover, biomarkers can indicate resistance formation in the acquired resistance setting, even when they are not predictive in the intrinsic resistance setting.

Background: MDM2 inhibitors are under investigation for the treatment of acute myeloid leukaemia (AML) patients in phase III clinical trials. To study resistance formation to MDM2 inhibitors in AML cells, we here established 45 sub-lines of the AML TP53 wild-type cell lines MV4-11 (15 sub-lines), OCI-AML-2 (10 sub-lines), OCI-AML-3 (12 sub-lines), and SIG-M5 (8 sub-lines) with resistance to the MDM2 inhibitor nutlin-3. Methods: Nutlin-3-resistant sub-lines were established by continuous exposure to stepwise increasing drug concentrations. The TP53 status was determined by next generation sequencing, cell viability was measured by MTT assay, and p53 was depleted using lentiviral vectors encoding shRNA. Results: All MV4-11 sub-lines harboured the same R248W mutation and all OCI-AML-2 sub-lines the same Y220C mutation, indicating the selection of pre-existing TP53-mutant subpopulations. In concordance, rare alleles harbouring the respective mutations could be detected in the parental MV4-11 and OCI-AML-2 cell lines. The OCI-AML-3 and SIG-M5 sub-lines were characterised by varying TP53 mutations or wild type TP53, indicating the induction of de novo TP53 mutations. Doxorubicin, etoposide, gemcitabine, cytarabine, and fludarabine resistance profiles revealed a noticeable heterogeneity among the sub-lines even of the same parental cell lines. Loss-of-p53 function was not generally associated with decreased sensitivity to cytotoxic drugs. Conclusion: We introduce a substantial set of models of acquired MDM2 inhibitor resistance in AML. MDM2 inhibitors select, in dependence on the nature of a given AML cell population, pre-existing TP53-mutant subpopulations or induce de novo TP53 mutations. Although loss-of-p53 function has been associated with chemoresistance in AML, nutlin-3-adapted sub-lines displayed in the majority of experiments similar or increased drug sensitivity compared to the respective parental cells. Hence, chemotherapy may remain an option for AML patients after MDM2 inhibitor therapy failure. Even sub-lines of the same parental cancer cell line displayed considerable heterogeneity in their response to other anti-cancer drugs, indicating the need for the detailed understanding and monitoring of the evolutionary processes in cancer cell populations in response to therapy as part of future individualised treatment protocols.

Abstract The mutational landscape of TP53 , a tumor suppressor mutated in about half of all cancers, includes over 2,000 known missense mutations. To fully leverage TP53 mutation status for personalized medicine, a thorough understanding of the functional diversity of these mutations is essential. We conducted a deep mutational scan using saturation genome editing with CRISPR-mediated homology-directed repair to engineer 9,225 TP53 variants in cancer cells. This high-resolution approach, covering 94.5% of all cancer-associated TP53 missense mutations, precisely mapped the impact of individual mutations on tumor cell fitness, surpassing previous deep mutational scan studies in distinguishing benign from pathogenic variants. Our results revealed even subtle loss-of-function phenotypes and identified promising mutants for pharmacological reactivation. Moreover, we uncovered the roles of splicing alterations and nonsense-mediated messenger RNA decay in mutation-driven TP53 dysfunction. These findings underscore the power of saturation genome editing in advancing clinical TP53 variant interpretation for genetic counseling and personalized cancer therapy.

Abstract Here, we introduce a novel set of drug-adapted triple-negative breast cancer (TNBC) cell lines consisting of the parental cell lines MDA-MB-468, HCC38, and HCC1806 and their sublines adapted to cisplatin, doxorubicin, eribulin, paclitaxel, gemcitabine, or 5-fluorouracil. Whole exome sequencing in combination with the analysis of TCGA-derived patient data resulted in the identification of 135 biomarker candidates for the guidance of personalized TNBC therapies for further investigation, including 58 novel ones that had not been associated with drug resistance before. The analysis of exome sequencing data showed remarkably few overlaps among the resistant sublines, suggesting that each resistance formation process follows an individual, unpredictable route. This complexity was confirmed by cancer cell line drug sensitivity profiles to cytotoxic anti-cancer drugs and DNA damage repair inhibitors. Drug-adapted sublines of the same parental cell line and sublines adapted to the same drug substantially differed in their drug response patterns. Cross-resistance levels were lowest for the CHK2 inhibitor CCT241533, the PLK1 inhibitor SBE13, and the RAD51 recombinase inhibitor B02, making CHK2, PLK1, and RAD51 promising drug targets for therapy-refractory TNBC. In conclusion, we present novel preclinical models of acquired drug resistance in TNBC and 58 novel candidate biomarkers for further investigation. Whole exome data and drug sensitivity profiles showed that each cancer cell line adaptation process follows an unpredictable route, which reflects recent findings on cancer cell evolution in patients, supporting the relevance of drug-adapted cancer cell lines as preclinical models of acquired resistance.

Abstract The processes leading from disturbed B cell development to adult B cell progenitor acute lymphoblastic leukemia (BCP-ALL) are poorly understood. Here, we describe Irf4 −/− mice as prone to developing BCP-ALL with age. Irf4 −/− preB-I cells exhibited impaired differentiation but enhanced proliferation in response to IL-7, along with reduced retention in the IL-7 providing bone marrow niche due to decreased CXCL12 responsiveness. Thus selected, preB-I cells acquired Jak3 mutations, probably following irregular AID activity, resulting in malignant transformation. We demonstrate heightened IL-7 sensitivity due to Jak3 mutants, devise a model to explain it and describe structural and functional similarities to Jak2 mutations often occurring in human Ph-like ALL. Finally, targeting JAK signaling with Ruxolitinib in vivo prolonged survival of mice bearing established Irf4 −/− leukemia. Intriguingly, organ infiltration including leukemic meningeosis was selectively reduced without affecting blood blast counts. In this work, we present spontaneous leukemogenesis following IRF4 deficiency with potential implications for high-risk BCP-ALL in adult humans.