Approximately 30% of human lung cancers acquire mutations in either Keap1 or Nfe2l2, resulting in the stabilization of Nrf2, the Nfe2l2 gene product, which controls oxidative homeostasis. Here, we show that heme triggers the degradation of Bach1, a pro-metastatic transcription factor, by promoting its interaction with the ubiquitin ligase Fbxo22. Nrf2 accumulation in lung cancers causes the stabilization of Bach1 by inducing Ho1, the enzyme catabolizing heme. In mouse models of lung cancers, loss of Keap1 or Fbxo22 induces metastasis in a Bach1-dependent manner. Pharmacological inhibition of Ho1 suppresses metastasis in a Fbxo22-dependent manner. Human metastatic lung cancer display high levels of Ho1 and Bach1. Bach1 transcriptional signature is associated with poor survival and metastasis in lung cancer patients. We propose that Nrf2 activates a metastatic program by inhibiting the heme- and Fbxo22-mediated degradation of Bach1, and that Ho1 inhibitors represent an effective therapeutic strategy to prevent lung cancer metastasis.

ABSTRACT Resistance to targeted therapies is an important clinical problem in HER2-positive (HER2+) breast cancer. “Drug-tolerant persisters” (DTPs), a sub-population of cancer cells that survive via reversible, non-genetic mechanisms, are implicated in resistance to tyrosine kinase inhibitors (TKIs) in other malignancies, but DTPs following HER2 TKI exposure have not been well characterized. We found that HER2 TKIs evoke DTPs with a luminal-like or a mesenchymal-like transcriptome. Lentiviral barcoding/single cell RNA-sequencing reveal that HER2+ breast cancer cells cycle stochastically through a “pre-DTP” state, characterized by a G 0 -like expression signature and enriched for diapause and/or senescence genes. Trajectory analysis/cell sorting show that pre-DTPs preferentially yield DTPs upon HER2 TKI exposure. Cells with similar transcriptomes are present in HER2+ breast tumors and are associated with poor TKI response. Finally, biochemical experiments indicate that luminal-like DTPs survive via estrogen receptor-dependent induction of SGK3, leading to rewiring of the PI3K/AKT/mTORC1 pathway to enable AKT-independent mTORC1 activation. STATEMENT OF SIGNIFICANCE DTPs are implicated in resistance to TKIs, other targeted therapies, and chemotherapy, but their ontogeny and vulnerabilities remain unclear. We find that HER2 TKI-DTPs emerge from stochastically arising primed cells (“pre-DTPs”) that preferentially engage either of two distinct transcriptional programs upon TKI exposure. Our results provide new insights into DTP ontogeny and identify potential therapeutic vulnerabilities.