Proteolysis-targeting chimeras (PROTACs) are a promising new class of drugs that selectively degrade cellular proteins of interest. PROTACs that target oncogene products are avidly being explored for cancer therapies, and several are currently in clinical trials. Drug resistance is a substantial challenge in clinical oncology, and resistance to PROTACs has been reported in several cancer cell models. Here, using proteomic analysis, we found intrinsic and acquired resistance mechanisms to PROTACs in cancer cell lines mediated by greater abundance or production of the drug efflux pump MDR1. PROTAC-resistant cells were resensitized to PROTACs by genetic ablation of ABCB1 (which encodes MDR1) or by coadministration of MDR1 inhibitors. In MDR1-overexpressing colorectal cancer cells, degraders targeting either the kinases MEK1/2 or the oncogenic mutant GTPase KRAS G12C synergized with the dual epidermal growth factor receptor (EGFR/ErbB)/MDR1 inhibitor lapatinib. Moreover, compared with single-agent therapies, combining MEK1/2 degraders with lapatinib improved growth inhibition of MDR1-overexpressing KRAS-mutant colorectal cancer xenografts in mice. Together, our findings suggest that concurrent blockade of MDR1 will likely be required with PROTACs to achieve durable protein degradation and therapeutic response in cancer.

ABSTRACT PROTACs (Proteolysis-Targeting Chimeras) represent a promising new class of drugs that selectively degrade proteins of interest from cells. PROTACs targeting oncogenes are avidly being explored for cancer therapies, with several currently in clinical trials. Drug resistance represents a significant challenge in cancer therapies, and the mechanism by which cancer cells acquire resistance to PROTACs remains poorly understood. Using proteomics, we discovered acquired and intrinsic resistance to PROTACs in cancer cells can be mediated by upregulation of the drug efflux pump MDR1. PROTAC-resistant cells could be re-sensitized to PROTACs through co-administering MDR1 inhibitors. Notably, co-treatment of MDR1-overexpressing colorectal cancer cells with MEK1/2 or KRAS G12C degraders and the dual ErbB receptor/MDR1 inhibitor lapatinib exhibited potent drug synergy due to simultaneous blockade of MDR1 and ErbB receptor activity. Together, our findings suggest that concurrent blockade of MDR1 will likely be required in combination with PROTACs to achieve durable protein degradation and therapeutic response in cancer.

SUMMARY Activation of the RAS/MAPK pathway is one of the most frequent alterations in cancer; yet therapies targeting this pathway have shown limited benefit due to drug resistance. For example, resistance to MEK inhibitors in KRAS mutant cancer cells occurs due to relief of a negative feedback that promotes CRAF activation and CRAF-MEK protein interactions, bypassing MEK inhibition. Consequently, combining CRAF and MEK inhibitors for KRAS mutant cancer is an area of intense research. Here, we discovered that the MEK1/2 PROTAC (Proteolysis-Targeting Chimeras) degrader, MS934, caused collateral degradation of CRAF in KRAS mutant cells via a PROTAC-mechanism, offering a new strategy to simultaneously degrade both CRAF and MEK1/2. Importantly, CRAF has been shown to have essential kinase-independent growth and survival functions outside the MEK-ERK pathway in KRAS mutant cells, making CRAF degradation an attractive therapeutic avenue. Despite this, to the best of our knowledge, no CRAF PROTACs have been published. Importantly, our discovery of MS934 as a first-in-class dual CRAF/MEK degrader provides a newfound approach to overcome MEK inhibitor resistance due to relief of negative feedback, as well as block CRAF kinase-independent functions in KRAS mutant cells.