SUMMARY A long-term goal in cancer research has been to inhibit the cell cycle in tumour cells without causing toxicity in proliferative healthy tissues. The best evidence that this is achievable is provided by CDK4/6 inhibitors, which arrest the cell cycle in G1, are well-tolerated in patients, and are effective in treating ER+/HER2-breast cancer. CDK4/6 inhibitors are effective because they arrest tumour cells more efficiently than some healthy cell types and, in addition, they affect the tumour microenvironment to enhance anti-tumour immunity. We demonstrate here another reason to explain their efficacy. Tumour cells are specifically vulnerable to CDK4/6 inhibition because during the G1 arrest, oncogenic signals drive toxic cell overgrowth. This overgrowth causes permanent cell cycle withdrawal by either preventing exit from G1 or by inducing replication stress and genotoxic damage during the subsequent S-phase and mitosis. Inhibiting or reverting oncogenic signals that converge onto mTOR can rescue this excessive growth, DNA damage and cell cycle exit in cancer cells. Conversely, inducing oncogenic signals in non-transformed cells can drive these toxic phenotypes and sensitize cells to CDK4/6 inhibition. Together, this demonstrates how oncogenic signals that have evolved to stimulate constitutive tumour growth and proliferation can be driven to cause toxic cell growth and irreversible cell cycle exit when proliferation is halted in G1.

SUMMARY Cell size and the cell cycle are intrinsically coupled and abnormal increases in cell size are associated with senescence. The mechanism by which overgrowth primes cells to exit the cell cycle remains unclear. We investigate this using CDK4/6 inhibitors that arrest cell cycle progression in G0/G1 and are used to treat ER+/HER2-metastatic breast cancer. We demonstrate that long-term CDK4/6 inhibition promotes cellular overgrowth during the G0/G1 arrest, causing widespread proteome remodeling and p38-p53-p21-dependent cell cycle exit. Cell cycle exit is triggered by two waves of p21 induction. First, overgrowth during a G0/G1 arrest induces an osmotic stress response, producing the first wave of p21 induction. Second, when CDK4/6 inhibitors are removed, a fraction of cells escape G0/G1 arrest and enter S-phase where overgrowth-driven replication stress results in a second wave of p21 induction that causes cell cycle withdrawal from G2, or the subsequent G1. This could explain why cellular hypertrophy is associated with senescence and why CDK4/6 inhibitors have long-lasting anti-proliferative effects in patients.

A bstract CDK4/6 inhibitors arrest the cell cycle in G1-phase. They are approved to treat breast cancer and are also undergoing clinical trials against a range of other tumour types. To facilitate these efforts, it is important to understand why a cytostatic arrest in G1 causes long-lasting effects on tumour growth. Here we demonstrate that a prolonged G1-arrest following CDK4/6 inhibition downregulates replisome components and impairs origin licencing. This causes a failure in DNA replication after release from that arrest, resulting in a p53-dependent withdrawal from the cell cycle. If p53 is absent, then cells bypass the G2-checkpoint and undergo a catastrophic mitosis resulting in excessive DNA damage. These data therefore link CDK4/6 inhibition to genotoxic stress; a phenotype that is shared by most other broad-spectrum anti-cancer drugs. This provides a rationale to predict responsive tumour types and effective combination therapies, as demonstrated by the fact that CDK4/6 inhibition induces sensitivity to chemotherapeutics that also cause replication stress.

PP2A-B56 is a serine/threonine phosphatase complex that regulates several major processes during mitosis, including sister chromatid cohesion, kinetochore-microtubule attachment and the spindle assembly checkpoint. We show here that these key functions are controlled by distinct B56 isoforms that localise differentially to either the centromere or kinetochore. The centromeric B56 isoforms rely on a specific interaction with Sgo2, whereas the kinetochore isoforms bind preferentially to proteins containing an LxxIxE motif, including the kinetochore B56 receptor BubR1. The molecular basis for this differential localisation can be mapped to a small C-terminal region in B56 that defines whether PP2A-B56 complexes bind to either Sgo2 at the centromere or BubR1 at the kinetochore. Together, this study describes how different PP2A-B56 complexes utilise isoform-specific interactions to control distinct processes during mitosis.