Abstract Despite decades of research, efforts to directly target KRAS have been challenging. MRTX849 was identified as a potent, selective, and covalent KRASG12C inhibitor that exhibits favorable drug-like properties, selectively modifies mutant cysteine 12 in GDP-bound KRASG12C, and inhibits KRAS-dependent signaling. MRTX849 demonstrated pronounced tumor regression in 17 of 26 (65%) KRASG12C-positive cell line– and patient-derived xenograft models from multiple tumor types, and objective responses have been observed in patients with KRASG12C-positive lung and colon adenocarcinomas. Comprehensive pharmacodynamic and pharmacogenomic profiling in sensitive and partially resistant nonclinical models identified mechanisms implicated in limiting antitumor activity including KRAS nucleotide cycling and pathways that induce feedback reactivation and/or bypass KRAS dependence. These factors included activation of receptor tyrosine kinases (RTK), bypass of KRAS dependence, and genetic dysregulation of cell cycle. Combinations of MRTX849 with agents that target RTKs, mTOR, or cell cycle demonstrated enhanced response and marked tumor regression in several tumor models, including MRTX849-refractory models. Significance: The discovery of MRTX849 provides a long-awaited opportunity to selectively target KRASG12C in patients. The in-depth characterization of MRTX849 activity, elucidation of response and resistance mechanisms, and identification of effective combinations provide new insight toward KRAS dependence and the rational development of this class of agents. See related commentary by Klempner and Hata, p. 20. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is characterized by KRAS- and autophagy-dependent tumorigenic growth, but the role of KRAS in supporting autophagy has not been established. We show that, to our surprise, suppression of KRAS increased autophagic flux, as did pharmacological inhibition of its effector ERK MAPK. Furthermore, we demonstrate that either KRAS suppression or ERK inhibition decreased both glycolytic and mitochondrial functions. We speculated that ERK inhibition might thus enhance PDAC dependence on autophagy, in part by impairing other KRAS- or ERK-driven metabolic processes. Accordingly, we found that the autophagy inhibitor chloroquine and genetic or pharmacologic inhibition of specific autophagy regulators synergistically enhanced the ability of ERK inhibitors to mediate antitumor activity in KRAS-driven PDAC. We conclude that combinations of pharmacologic inhibitors that concurrently block both ERK MAPK and autophagic processes that are upregulated in response to ERK inhibition may be effective treatments for PDAC. Blockade of ERK signaling in KRAS-mutant pancreatic cancer increases the dependence on autophagic flux through different mechanisms and provides a rationale for combinatorial targeting with autophagy inhibitors.

To evaluate dabrafenib, a selective BRAF inhibitor, combined with trametinib, a selective MEK inhibitor, in patients with BRAF V600-mutant metastatic colorectal cancer (mCRC).A total of 43 patients with BRAF V600-mutant mCRC were treated with dabrafenib (150 mg twice daily) plus trametinib (2 mg daily), 17 of whom were enrolled onto a pharmacodynamic cohort undergoing mandatory biopsies before and during treatment. Archival tissues were analyzed for microsatellite instability, PTEN status, and 487-gene sequencing. Patient-derived xenografts were established from core biopsy samples.Of 43 patients, five (12%) achieved a partial response or better, including one (2%) complete response, with duration of response > 36 months; 24 patients (56%) achieved stable disease as best confirmed response. Ten patients (23%) remained in the study > 6 months. All nine evaluable during-treatment biopsies had reduced levels of phosphorylated ERK relative to pretreatment biopsies (average decrease ± standard deviation, 47% ± 24%). Mutational analysis revealed that the patient achieving a complete response and two of three evaluable patients achieving a partial response had PIK3CA mutations. Neither PTEN loss nor microsatellite instability correlated with efficacy. Responses to dabrafenib plus trametinib were comparable in patient-derived xenograft-bearing mice and the biopsied lesions from each corresponding patient.The combination of dabrafenib plus trametinib has activity in a subset of patients with BRAF V600-mutant mCRC. Mitogen-activated protein kinase signaling was inhibited in all patients evaluated, but to a lesser degree than observed in BRAF-mutant melanoma with dabrafenib alone. PIK3CA mutations were identified in responding patients and thus do not preclude response to this regimen. Additional studies targeting the mitogen-activated protein kinase pathway in this disease are warranted.

Summary Adaptation of cancer cells to targeted therapy follows ecological paradigms observed in natural populations that encounter resource depletion and changing environments, including activation of pro-survival mechanisms, migration to new locations, and escape of predation. We identified the p38 MAPK pathway as a common molecular driver of these three responses during the adaptation to hormone therapy resistance in prostate cancer. The p38 pathway is activated in therapy-resistant cells and mechanistically drives these three convergent responses through sustained AR activity, enhanced invasion and metastasis, and immune evasion. Targeting p38 signaling may represent a new therapeutic strategy to treat men with metastatic, hormone therapy-resistant prostate cancer.

To delineate the mechanisms by which the ERK1 and ERK2 mitogen-activated protein kinases support mutant KRAS-driven cancer growth, we determined the ERK-dependent phosphoproteome in KRAS-mutant pancreatic cancer. We determined that ERK1 and ERK2 share near-identical signaling and transforming outputs and that the KRAS-regulated phosphoproteome is driven nearly completely by ERK. We identified 4666 ERK-dependent phosphosites on 2123 proteins, of which 79 and 66%, respectively, were not previously associated with ERK, substantially expanding the depth and breadth of ERK-dependent phosphorylation events and revealing a considerably more complex function for ERK in cancer. We established that ERK controls a highly dynamic and complex phosphoproteome that converges on cyclin-dependent kinase regulation and RAS homolog guanosine triphosphatase function (RHO GTPase). Our findings establish the most comprehensive molecular portrait and mechanisms by which ERK drives KRAS-dependent pancreatic cancer growth.

Abstract Acquired resistance remains a major challenge for therapies targeting oncogene activated pathways. KRAS is the most frequently mutated oncogene in human cancers, yet strategies targeting its downstream signaling kinases have failed to produce durable treatment responses. Here, we developed multiple models of acquired resistance to dual-mechanism ERK/MAPK inhibitors across KRAS -mutant pancreatic, colorectal, and lung cancers, and then probed the long-term events enabling survival against this novel class of drugs. These studies revealed that resistance emerges secondary to large-scale transcriptional adaptations that are diverse and tumor-specific. Transcriptional reprogramming extends beyond the well-established early response, and instead represents a dynamic, evolved population-level process that is refined to attain a stably resistant phenotype. Mechanistic and translational studies reveal that resistance to dual-mechanism ERK/MAPK inhibition is broadly susceptible to manipulation of the epigenetic machinery, and that Mediator kinase, in particular, can be co-targeted at a bottleneck point to prevent diverse, tumor-specific resistance programs.

Abstract Acquired resistance remains a major challenge for therapies targeting oncogene activated pathways. KRAS is the most frequently mutated oncogene in human cancers, yet strategies targeting its downstream signaling kinases have failed to produce durable treatment responses. Here, we developed multiple models of acquired resistance to dual-mechanism ERK/MAPK inhibitors across KRAS -mutant pancreatic, colorectal, and lung cancers, and then probed the long-term events enabling survival against this class of drugs. These studies revealed that resistance emerges secondary to large-scale transcriptional adaptations that are diverse and cell line-specific. Transcriptional reprogramming extends beyond the well-established early response, and instead represents a dynamic, evolved process that is refined to attain a stably resistant phenotype. Mechanistic and translational studies reveal that resistance to dual-mechanism ERK/MAPK inhibition is broadly susceptible to manipulation of the epigenetic machinery, and that Mediator kinase, in particular, can be co-targeted at a bottleneck point to prevent diverse, cell line-specific resistance programs.

Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer worldwide. In the United States alone, CRC was responsible for approximately 52,550 deaths in 2023, with an estimated 153,020 new cases. CRC presents with synchronous peritoneal spread in 5-10% of patients, and up to 20-50% of patients with recurrent disease will develop metachronous colorectal cancer peritoneal metastatic (CRC-PM) disease. Eradication of the tumor, tumor margins and microscopic residual disease is paramount, as microscopic residual disease is associated with local recurrences, with 5-year survival rates of less than 35%. The success of resection and reduction of residual disease depends on the accuracy with which cancer cells and normal tissue can be intra-operatively distinguished. Fluorescence Molecular Imaging (IFMI) and tumor-targeted contrast agents represent a promising approach for intraoperative detection and surgical intervention. Proper target selection, the development of scalable imaging agents and enhanced real-time tumor and tumor microenvironment imaging are critical to enabling enhanced surgical resection. LGR5 (leucine-rich repeat-containing G-protein-coupled receptor 5), a colonic crypt stem cell marker and the receptor for the R-spondins (RSPO) in the Wnt signaling pathway, is also expressed on colorectal cancer stem cells (CSC) and on CRC tumors and metastases, suggesting it could be a useful target for imaging of CRC. However, there are numerous diverging reports on the role of LGR5 in CRC therapy and outcomes. Herein, we report on the synthesis and validation of a 37 amino acid RSPO1-mimetic peptide, termed RC18, that was specifically designed to access the R-spondin binding site of LGR5 to potentially be used for interoperative imaging of CRC-PM. The receptor-binding capabilities of the RC18 indicate that direct interactions with LGR5 neither significantly increased LGR5 signaling nor blocked RSPO1 binding and signal transduction, suggesting that the RSPO1-mimetic is functionally inert, making it an attractive contrast agent for intraoperative CRC-PM imaging.

Abstract Oncogenic KRAS drives cancer growth by activating diverse signaling networks, not all of which have been fully delineated. We set out to establish a system-wide profile of the KRAS-regulated kinase signaling network (kinome) in KRAS-mutant pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). We knocked down KRAS expression in a panel of six cell lines, and then applied Multiplexed Inhibitor Bead/Mass Spectrometry (MIB/MS) chemical proteomics to monitor changes in kinase activity and/or expression. We hypothesized that depletion of KRAS would result in downregulation of kinases required for KRAS-mediated transforming activities, and in upregulation of other kinases that could potentially compensate for the deleterious consequences of the loss of KRAS. We identified 15 upregulated and 13 downregulated kinases in common across the panel. In agreement with our hypothesis, all 15 of the upregulated kinases have established roles as cancer drivers (e.g., SRC, TGFBR1, ILK), and pharmacologic inhibition of the upregulated kinase, DDR1, suppressed PDAC growth. Interestingly, 11 of the 13 downregulated kinases have established driver roles in cell cycle progression, particularly in mitosis (e.g., WEE1, Aurora A, PLK1). Consistent with a crucial role for the downregulated kinases in promoting KRAS-driven proliferation, we found that pharmacologic inhibition of WEE1 also suppressed PDAC growth. The unexpected paradoxical activation of ERK upon WEE1 inhibition led us to inhibit both WEE1 and ERK concurrently, which caused further potent growth suppression and enhanced apoptotic death than WEE1 inhibition alone. We conclude that system-wide delineation of the KRAS-regulated kinome can identify potential therapeutic targets for KRAS-mutant pancreatic cancer.

Abstract Background Mutations of the PIK3CA/AKT/mTOR axis are common events in metastatic breast cancers (MBCs). This study was designed to evaluate the extent to which genetic alterations of the PIK3CA/AKT/mTOR can predict protein activation of this signalling axis in MBCs. Methods Molecular profiles were generated by CLIA-certified laboratories from a real-world evidence cohort of 171 MBC patients. Genetic alterations of the PIK3CA pathway were measured using next-generation sequencing. Activation levels of AKT and downstream signalling molecules were quantified using two orthogonal proteomic methods. Protein activity was correlated with underlying genomic profiles and response to CDK4/6 inhibition in combination with endocrine treatment (ET). Results Oncogenic alterations of the PIK3CA / AKT / PTEN pathway were identified in 49.7% of cases. Genomic profiles emerged as poor predictors of protein activity (AUC:0.69), and AKT phosphorylation levels mimicked those of mutant lesions in 76.9% of wild-type tumours. High phosphorylation levels of the PI3K/AKT/mTOR downstream target p70S6 Kinase (T389) were associated with shorter PFS in patients treated with CDK4/6 inhibitors in combination with ET (HR:4.18 95%CI:1.19–14.63); this association was not seen when patients were classified by mutational status. Conclusions Phosphoprotein-based measurements of drug targets and downstream substrates should be captured along with genomic information to identify MBCs driven by the PI3K/AKT/mTOR signalling.