The acquisition of invasive properties is a prerequisite for tumor progression and metastasis. Molecular subtypes of KRAS-driven lung cancer exhibit distinct modes of invasion that likely contribute to unique growth properties and therapeutic susceptibilities. Despite this, pre-clinical discovery strategies designed to exploit invasive phenotypes are lacking. To address this, we designed an experimental system to screen for targetable signaling pathways linked to active early invasion phenotypes in the two most prominent molecular subtypes, TP53 and LKB1, of KRAS-driven lung adenocarcinoma (LUAD). By combining live-cell imaging of human bronchial epithelial cells in a 3D invasion matrix with RNA transcriptome profiling, we identified the LKB1-specific upregulation of bone morphogenetic protein 6 (BMP6). Examination of early-stage lung cancer patients confirmed upregulation of BMP6 in LKB1-mutant lung tumors. At the molecular level, we find that the canonical iron regulatory hormone Hepcidin is induced via BMP6 signaling upon LKB1 loss, where intact LKB1 kinase activity is necessary to maintain signaling homeostasis. Furthermore, pre-clinical studies in a novel Kras/Lkb1-mutant syngeneic mouse model show that potent growth suppression was achieved by inhibiting the ALK2/BMP6 signaling axis with single agents that are currently in clinical trials. We show that alterations in the iron homeostasis pathway are accompanied by simultaneous upregulation of ferroptosis protection proteins. Thus, LKB1 is sufficient to regulate both the 'gas' and 'breaks' to finely tune iron-regulated tumor progression.

Oncogenic RAS mutations drive aggressive cancers that are difficult to treat in the clinic, and while direct inhibition of the most common KRAS variant in lung adenocarcinoma (G12C) is undergoing clinical evaluation, a wide spectrum of oncogenic RAS variants together make up a large percentage of untargetable lung and GI cancers. Here we report that loss-of-function alterations (mutations and deep deletions) in the gene that encodes HD-PTP (PTPN23) occur in up to 14% of lung cancers in the ORIEN Avatar lung cancer cohort, associate with adenosquamous histology, and occur alongside an altered spectrum of KRAS alleles. Furthermore, we show that in publicly available early-stage NSCLC studies loss of HD-PTP is mutually exclusive with loss of LKB1, which suggests they restrict a common oncogenic pathway in early lung tumorigenesis. In support of this, knockdown of HD-PTP in RAS-transformed lung cancer cells is sufficient to promote FAK-dependent invasion. Lastly, knockdown of the Drosophila homolog of HD-PTP (dHD-PTP/Myopic) synergizes to promote RAS-dependent neoplastic progression. Our findings highlight a novel tumor suppressor that can restrict RAS-driven lung cancer oncogenesis and identify a targetable pathway for personalized therapeutic approaches for adenosquamous lung cancer.

Abstract The genetic and metabolic heterogeneity of RAS-driven cancers has confounded therapeutic strategies in the clinic. To address this, rapid and genetically tractable animal models are needed that recapitulate the heterogeneity of RAS-driven cancers in vivo. Here, we generate a Drosophila melanogaster model of Ras/Lkb1mutant carcinoma. We show that low-level expression of oncogenic Ras (Ras Lo ) promotes the survival of Lkb1 mutant tissue, but results in autonomous cell cycle arrest and non-autonomous overgrowth of wild-type tissue. In contrast, high-level expression of oncogenic Ras (Ras Hi ) transforms Lkb1 mutant tissue resulting in lethal malignant tumors. Using simultaneous multiview light-sheet microcopy, we have characterized invasion phenotypes of Ras/Lkb1 tumors in living larvae. Our molecular analysis reveals sustained activation of the AMPK pathway in malignant Ras/Lkb1 tumors, and demonstrate the genetic and pharmacologic dependence of these tumors on CaMK-activated Ampk. We further show that LKB1 mutant human lung adenocarcinoma patients with high levels of oncogenic KRAS exhibit worse overall survival and increased AMPK activation. Our results suggest that high levels of oncogenic KRAS is a driving event in the malignant transformation of LKB1 mutant tissue, and uncover a novel vulnerability that may be used to target this aggressive genetic subset of RAS-driven tumors. One Sentence Summary A multivariable Ras-driven Drosophila model reveals a novel LKB1 mutant lung adenocarcinoma patient subpopulation and targetable effector pathway.