Abstract Small-molecule inhibitors of the CDK4/6 cell-cycle kinases have shown clinical efficacy in estrogen receptor (ER)-positive metastatic breast cancer, although their cytostatic effects are limited by primary and acquired resistance. Here we report that ER-positive breast cancer cells can adapt quickly to CDK4/6 inhibition and evade cytostasis, in part, via noncanonical cyclin D1-CDK2–mediated S-phase entry. This adaptation was prevented by cotreatment with hormone therapies or PI3K inhibitors, which reduced the levels of cyclin D1 (CCND1) and other G1–S cyclins, abolished pRb phosphorylation, and inhibited activation of S-phase transcriptional programs. Combined targeting of both CDK4/6 and PI3K triggered cancer cell apoptosis in vitro and in patient-derived tumor xenograft (PDX) models, resulting in tumor regression and improved disease control. Furthermore, a triple combination of endocrine therapy, CDK4/6, and PI3K inhibition was more effective than paired combinations, provoking rapid tumor regressions in a PDX model. Mechanistic investigations showed that acquired resistance to CDK4/6 inhibition resulted from bypass of cyclin D1–CDK4/6 dependency through selection of CCNE1 amplification or RB1 loss. Notably, although PI3K inhibitors could prevent resistance to CDK4/6 inhibitors, they failed to resensitize cells once resistance had been acquired. However, we found that cells acquiring resistance to CDK4/6 inhibitors due to CCNE1 amplification could be resensitized by targeting CDK2. Overall, our results illustrate convergent mechanisms of early adaptation and acquired resistance to CDK4/6 inhibitors that enable alternate means of S-phase entry, highlighting strategies to prevent the acquisition of therapeutic resistance to these agents. Cancer Res; 76(8); 2301–13. ©2016 AACR.

Abstract Purpose: PARP1/2 inhibitors are a class of anticancer agents that target tumor-specific defects in DNA repair. Here, we describe BMN 673, a novel, highly potent PARP1/2 inhibitor with favorable metabolic stability, oral bioavailability, and pharmacokinetic properties. Experimental Design: Potency and selectivity of BMN 673 was determined by biochemical assays. Anticancer activity either as a single-agent or in combination with other antitumor agents was evaluated both in vitro and in xenograft cancer models. Results: BMN 673 is a potent PARP1/2 inhibitor (PARP1 IC50 = 0.57 nmol/L), but it does not inhibit other enzymes that we have tested. BMN 673 exhibits selective antitumor cytotoxicity and elicits DNA repair biomarkers at much lower concentrations than earlier generation PARP1/2 inhibitors (such as olaparib, rucaparib, and veliparib). In vitro, BMN 673 selectively targeted tumor cells with BRCA1, BRCA2, or PTEN gene defects with 20- to more than 200-fold greater potency than existing PARP1/2 inhibitors. BMN 673 is readily orally bioavailable, with more than 40% absolute oral bioavailability in rats when dosed in carboxylmethyl cellulose. Oral administration of BMN 673 elicited remarkable antitumor activity in vivo; xenografted tumors that carry defects in DNA repair due to BRCA mutations or PTEN deficiency were profoundly sensitive to oral BMN 673 treatment at well-tolerated doses in mice. Synergistic or additive antitumor effects were also found when BMN 673 was combined with temozolomide, SN38, or platinum drugs. Conclusion: BMN 673 is currently in early-phase clinical development and represents a promising PARP1/2 inhibitor with potentially advantageous features in its drug class. Clin Cancer Res; 19(18); 5003–15. ©2013 AACR.

1 Abstract Alzheimer’s disease (AD) accounts for 60-70% of dementia cases. Current treatments are inadequate and there is a need to develop new approaches to AD drug discovery. We chose to develop a cell phenotype-based drug screen centred on the AD-risk gene, SORL1 , which encodes the protein SORLA. Increased AD risk has been repeatedly linked to variants in SORL1 , particularly those that confer loss of, or decreased, SORLA. This is consistent with the lower SORL1 levels observed in post-mortem brain samples from individuals with AD. Consistent with its role in the endolysosomal pathway, deletion of SORL1 is associated with enlarged endosomes in neural progenitor cells (NPCs) and neurons. We, therefore, hypothesised that multiparametric, image-based phenotyping would identify features characteristic of SORL1 deletion. An automated morphological profiling assay (known as Cell Painting) was adapted to wild-type and SORL1 -/- NPCs. This methodology was used to determine the phenotypic response of SORL1 -/- NPCs to treatment with compounds from a small FDA/internationally-approved drug library (TargetMol, 330 compounds). We detected distinct phenotypic signatures for SORL1 -/- NPCs compared to isogenic wild-type controls. Furthermore, we identified 16 approved drugs that reversed the mutant morphological signatures in NPCs derived from 3 SORL1 -/- subclonal iPSC lines. Network pharmacology analysis revealed the 16 compounds belonged to five mechanistic groups: 20S proteasome, aldehyde dehydrogenase, topoisomerase I and II, and DNA synthesis inhibitors. Enrichment analysis confirmed targeting to gene sets associated with these annotated targets, and to pathways/biological processes associated with DNA synthesis/damage/repair, Proteases/proteasome and metabolism._Prediction of novel targets for some compounds revealed enrichment in pathways associated with neural cell function and AD. The findings suggest that image-based phenotyping by morphological profiling distinguishes SORL1 -/- NPCs from isogenic wild-type lines, and predicts treatment responses that rescue SORL1 -/- -associated cellular signatures that are relevant to both SORLA function and AD. Overall, this work suggests that i) a quantitative phenotypic metric can distinguish iPSC-derived SORL1 -/- NPCs from isogenic wild-type control and ii) phenotypic screening combined with multiparametric high-content image analysis is a viable option for drug repurposing and discovery in this human neural cell model of Alzheimer’s disease.

Abstract Senescence is a cell-intrinsic tumour suppressive response. A one-two-punch cancer treatment strategy aims to induce senescence in cancerous cells before removing them with a senolytic. It is important to accurately recognise senescent cells to investigate the feasibility of such a treatment strategy and identify compounds that induce senescence in cancer. We focus specifically on the terminal brain cancer glioblastoma, firstly identifying senescent glioblastoma cells with conventional stains, before training a machine learning model to distinguish senescent cells using only a DAPI nuclear stain. To demonstrate how our method can aid drug discovery, we apply our pipeline to existing glioblastoma high-throughput phenotypic drug screening imaging data to identify compounds that induce senescence in glioblastoma and verify these predictions experimentally. Author Summary Damaged cells can enter a senescent cell state, in which they do not divide, but continue to interact with the environment around them. A novel potential cancer treatment strategy is to make tumor cells senescent, before removing senescent cancer cells with a targeted drug. To investigate this treatment strategy in the brain cancer glioblastoma, it is important to be able to accurately recognise senescent glioblastoma cells. As identifying senescent cells is challenging, we create a machine learning pipeline which can detect senescent glioblastoma cells in imaging data. We show that by applying our method to existing data we can discover compounds that induce senescence in glioblastoma. We verify our predictions by testing the compounds experimentally.

Abstract Cytoplasmic pattern recognition receptors (PRRs) for double-stranded RNA (RIG-I/MDA5) are key mediators of anti-viral responses. PRR agonists, such as dsRNA oncolytic Reovirus type 3 Dearing (Rt3D), potently activate RNA sensors. We used an unbiased cytotoxicity screen to reveal synergistic drug-virotherapy combinations and found potent effects of Rt3D combined with the CDK4/6 inhibitor, palbociclib. The combination augmented oncolytic virus-induced endoplasmic reticulum (ER) stress/unfolded protein response (UPR) and the expression and activation/signaling of RNA sensors. Combined Rt3D-palbociclib treatment potently increased interferon production and signaling, and knockdown studies implicated key UPR proteins and the RNA sensor, RIG-I, as essential to the phenotype observed. Further experiments, using canonical RIG-I agonists and an ER stress inducer, thapsigargin, confirmed cross-talk between RNA sensing and ER stress pathways that augmented cancer cell death and interferon production. Combined Rt3D-palbociclib also increased innate immune activation within tumour cells and IFN-induced HLA expression. Analysis of the immunopeptidome revealed changes to HLA-captured peptides with Rt3D-palbociclib, including altered expression of peptides from cancer/testis antigens (CTA) and endogenous retroviral elements (ERVs). Our findings highlight cross-talk between UPR signaling and RNA-mediated PRR activation as a means of enhancing anti-cancer efficacy with potential pro-immunogenic consequences. This has implications for future clinical development of PRR agonists and oncolytic viruses, and broadens the therapeutic remit of CDK4/6 inhibitors to include roles as both ER stress and dsRNA PRR sensitizers.

Abstract A new form of cell death has recently been proposed involving copper-induced cell death, termed cuproptosis. This new form of cell death has been widely studied in relation to a novel class of copper ionophores, including elesclomol and disulfiram. However, the exact mechanism leading to cell death remains contentious. The oldest and mostly widely accepted biological mechanism is that the accumulated intracellular copper leads to excessive build-up of reactive oxygen species and that this is what ultimately leads to cell death. Most of this evidence is largely based on studies using N-acetylcysteine (NAC), an antioxidant, to relieve the oxidative stress and prevent cell death. However, here we have demonstrated using inductively coupled mass-spectrometry, that NAC pretreatment significantly reduces intracellular copper uptake triggered by the ionophores, elesclomol and disulfiram, suggesting that reduction in copper uptake, rather than the antioxidant activity of NAC, is responsible for the diminished cell death. We present further data showing that key mediators of reactive oxygen species are not upregulated in response to elesclomol treatment, and further that sensitivity of cancer cell lines to reactive oxygen species does not correlate with sensitivity to these copper ionophores. Our findings are in line with several recent studies proposing the mechanism of cuproptosis is instead via copper mediated aggregation of proteins, resulting in proteotoxic stress leading to cell death. Overall, it is vital to disseminate this key piece of information regarding NAC’s activity on copper uptake since new research attributing the effect of NAC on copper ionophore activity to quenching of reactive oxygen species is being published regularly and our studies suggest their conclusions may be misleading.

Abstract Background and Aims Oesophageal adenocarcinoma (OAC) is of increasing global concern due to increasing incidence, a lack of effective treatments, and poor prognosis. Therapeutic target discovery and clinical trials have been hindered by the heterogeneity of the disease, lack of driver mutations, and the dominance of large-scale genomic rearrangements. In this work we have characterised three potent and selective hit compounds identified in an innovative high-content phenotypic screening assay. The three hits include two approved drugs; elesclomol and disulfiram, and another small molecule compound, ammonium pyrrolidinedithiocarbamate. We uncover their mechanism of action, discover a targetable vulnerability, and gain insight into drug sensitivity for biomarker-based clinical trials in OAC. Methods Elesclomol, disulfiram, and ammonium pyrrolidinedithiocarbamate were systematically characterised across panels of oesophageal cell lines and patient-derived organoids. Drug treated oesophageal cell lines were morphologically profiled using a high-content, imaging platform. Compounds were assessed for efficacy across patient-derived organoids. Metabolomics and transcriptomics were assessed for the identification of oesophageal-cancer specific drug mechanisms and patient stratification hypotheses. Results High-content profiling revealed that all three compounds were highly selective for OAC over tissue-matched controls. Comparison of gene expression and morphological signatures unveiled a unified mechanism of action involving the accumulation of copper selectively in cancer cells, leading to dysregulation of proteostasis and cancer cell death. Basal omic analyses revealed proteasome and metabolic markers of drug sensitivity, forming the basis for biomarker-based clinical trials in OAC. Conclusions Integrated analysis of high-content imaging, transcriptomic and metabolomic data has revealed a new therapeutic mechanism for the treatment of OAC and represents an alternative target-agnostic drug discovery strategy.

Oesophageal adenocarcinoma (OAC) is a highly heterogeneous disease, dominated by large-scale genomic rearrangements and copy number alterations. Such characteristics have hampered conventional target-directed drug discovery and personalized medicine strategies contributing to poor outcomes for patients diagnosed with OAC. We describe the development and application of a phenotypic-led OAC drug discovery platform incorporating image-based, high-content cell profiling and associated image-informatics tools to classify drug mechanism-of-action (MoA). We applied a high-content Cell Painting assay to profile the phenotypic response of 19,555 compounds across a panel of six OAC cell lines representing the genetic heterogeneity of disease, a pre-neoplastic Barrett's oesophagus line and a non-transformed squamous oesophageal line. We built an automated phenotypic screening and high-content image analysis pipeline to identify compounds that selectively modified the phenotype of OAC cell lines. We further trained a machine-learning model to predict the MoA of OAC selective compounds using phenotypic fingerprints from a library of reference compounds. We identified a number of phenotypic clusters enriched with similar pharmacological classes e.g. Methotrexate and three other antimetabolites which are highly selective for OAC cell lines. We further identify a small number of hits from our diverse chemical library which show potent and selective activity for OAC cell lines and which do not cluster with the reference library of known MoA, indicating they may be selectively targeting novel oesophageal cancer biology. Our results demonstrate that our OAC phenotypic screening platform can identify existing pharmacological classes and novel compounds with selective activity for OAC cell phenotypes.

Abstract Oncolytic Reovirus type 3 Dearing (RT3D), is a naturally occurring double-stranded (ds) RNA virus that is under development as an oncolytic immunotherapy We used an unbiased high-throughput cytotoxicity screen of different targeted therapeutic agents with the aim of identifying potential drug-viral sensitizers to enhance RT3D tumour killing. Talazoparib, a clinical poly(ADP)-ribose polymerase 1 (PARP-1) inhibitor, was identified as a top hit and found to cause profound sensitisation to RT3D. This effect was not seen with other classes of oncolytic virus and was not mediated by enhanced viral replication or PARP inhibitor-related effects on the DNA damage response. RT3D interacts with retinoic acid-induced gene-1 (RIG-I) and activates PARP-1, with consequent PARylation of components of the extrinsic apoptosis pathway. Pharmacological and genetic inhibition of PARP-1 abrogates this PARylation and increases levels of extrinsic apoptosis, NF-kB signalling and pro-inflammatory cell death. Direct interaction between PARP-1 and RIG-I following RT3D/talazoparib treatment is a key factor in activating downstream signaling pathways that lead to IFN-β and TNF-α/TRAIL production which, in turn, amplify the therapeutic effect through positive feedback. Critically, it was possible to phenocopy the effect of RT3D through the use of non-viral ds-RNA therapy and RIG-I agonism. In in vivo studies, we demonstrated profound combinatorial efficacy of RT3D and talazoparib in human A375 melanoma in immunodeficient mice. More impressively, in immunocompetent mouse models of 4434 murine melanoma, we achieved 100% tumour control and protection from subsequent tumour rechallenge with the combination regimen. Correlative immunophenotyping confirmed significant innate and adaptive immune activation with the combination of RT3D and PARP inhibition. Taken together, these data provide a clear line of sight to clinical translation of combined regimens of PARP inhibition or ds-RNA agonism, with either viral or non-viral agents, in tumour types beyond the relatively narrow confines of current licensed indications for PARP inhibition.

Pacific geoduck clams (Panopea generosa) are found along the Northeast Pacific coast where they are significant components of coastal and estuarine ecosystems and the basis of a growing and highly profitable aquaculture industry. The Pacific coastline, however, is also the sight of rapidly changing ocean habitat, including significant reductions in pH. The impacts of ocean acidification on invertebrate bivalve larvae have been widely documented and it is well established that many species experience growth and developmental deficiencies when exposed to low pH. As a native of environments that have historically lower pH than the open ocean, it is possible that geoduck larvae are less impacted by these effects than other species. Over two weeks in larval development (days 6-19 post-fertilization) geoduck larvae were reared at pH 7.5 or 7.1 in a commercial shellfish hatchery. Larvae were sampled at six time points throughout the period for a in-depth proteomics analysis of developmental molecular physiology. Larvae reared at low pH were smaller than those reared at ambient pH, especially in the prodissoconch II phase of development. Competency for settlement was also delayed in larvae from the low pH conditions. A comparison of proteomic profiles over the course of development reveal that these differing phenotypic outcomes are likely due to environmental disruptions to the timing of molecular physiological events as suites of proteins showed differing profiles of abundance between the two pH environments. Ocean acidification likely caused an energetic stress on the larvae at pH 7.1, causing a shift in physiological prioritization with resulting loss of fitness.