ABSTRACT Patients with colorectal cancer (CRC) frequently develop liver metastases during the course of their disease. A substantial proportion of them receive neoadjuvant FOLFOX (5-Fluorouracil, Oxaliplatin, Leucovorin) prior to surgery in an attempt to enable successful surgical removal of their metastases and to reduce the risk of recurrence. Yet, the majority of patients progress during treatment or recur following surgery, and molecular mechanisms that contribute to FOLFOX resistance remain poorly understood. Here, using a combination of phenotypic, transcriptomic and genomic analyses of both tumor samples derived from patients with metastatic CRC and matching patient-derived tumor organoids (PDTOs), we characterize a novel FOLFOX resistance mechanism and identify inhibitors that target this mechanism to resensitize metastatic organoids to FOLFOX. Resistant PDTOs, identified after in vitro exposure to FOLFOX, exhibited elevated expression of E2F pathway, S phase, G 2 /M and spindle assembly checkpoints (SAC) genes. Similar molecular features were detected in CRLM from patients with progressive disease while under neoadjuvant FOLFOX treatment, highlighting the relevance of this finding. FOLFOX resistant PDTOs displayed inactivating mutations of TP53 and exhibited transcriptional features of P53 pathway downregulation. We found that they accumulated in early S-phase and underwent significant DNA damage during FOLFOX exposure, thereafter arresting in G 2 /M while they repaired their DNA after FOLFOX withdrawal. In parallel, results of a large kinase inhibitor screen indicated that drugs targeting regulators of the DNA damage response, G 2 M checkpoint and SAC had cytotoxic effects on PDTOs generated from patients whose disease progressed during treatment with FOLFOX. Corroborating this finding, CHK1 and WEE1 inhibitors were found to synergize with FOLFOX and sensitize previously resistant PDTOs. Additionally, targeting the SAC master regulator MPS1 using empesertib after exposure to FOLFOX, when cells accumulate in G 2 M, was also very effective to kill FOLFOX-resistant PDTOs. Our results indicate that targeted and timely inhibition of specific cell cycle checkpoints shows great potential to improve response rates to FOLFOX in patients with metastatic CRC, for whom therapeutic alternatives remain extremely limited.

ABSTRACT The mechanisms by which cells respond and adapt to oxidative stress are largely unknown but are key to developing a rationale for cancer therapies that target antioxidant pathways. APR-246 is a mutant-p53 targeted therapeutic currently under clinical investigation in myeloid dysplastic syndrome (MDS) and acute myeloid leukemia 1 . Whilst the mechanism of action of APR-246 is thought to be reactivation of wild-type p53 activity through covalent modification of cysteine residues in the core domain of mutant-p53 protein 2,3 , here we report that the anti-neoplastic capacity of APR-246 lies predominantly in the conjugation of free cysteine. Genome-wide CRISPR perturbation screening, metabolite profiling and proteomics in response to APR-246 treatment in mutant-p53 cancer cells highlighted the role of GSH and mitochondrial metabolism in determining APR-246 efficacy. APR-246 sensitivity was increased through loss of key enzymes in mitochondrial one-carbon metabolism, SHMT2 and MTHFD1L , due to diminished glycine supply for de novo GSH synthesis. Critically, we show that APR-246 induces iron-dependent, apoptotic machinery-independent cell death, ferroptosis. Whole-cell proteomics analyses indicated an upregulation of proteins involved in iron-sulfur cluster biogenesis (eg. FDX1). GSH, acetyl-CoA and NADH levels were also depleted in APR-246 treated cells. Importantly, we found that APR-246 inhibits iron-sulfur cluster biogenesis in the mitochondria of cancer cells through cysteine conjugation. This work not only details novel determinants of APR-246 activity in cancer cells, but also provides a clinical roadmap for targeting antioxidant pathways in tumours - beyond targeting mutant-p53 tumours.

Docetaxel and cabazitaxel are taxane chemotherapy treatments for metastatic castration resistant prostate cancer (CRPC). However, therapeutic resistance remains a major issue. MicroRNAs are short non-coding RNAs that can silence multiple genes, regulating several signalling pathways simultaneously. Therefore, synthetic microRNAs may have therapeutic potential in CRPC by regulating genes involved in taxane response and minimise compensatory mechanisms that cause taxane resistance. To identify microRNAs that can improve the efficacy of taxanes in CRPC, we performed a genome-wide screen of 1280 microRNAs in the CRPC cell lines PC3 and DU145 in combination with docetaxel or cabazitaxel treatment. Mimics of miR-217 and miR-181b-5p enhanced apoptosis significantly in PC3 cells in the presence of these taxanes. These mimics downregulated at least a thousand different transcripts, which were enriched for genes with cell proliferation and focal adhesion functions. Individual knockdown of a selection of 46 genes representing these transcripts resulted in toxic or taxane sensitisation effects, indicating that these genes may be mediating the effects of the microRNA mimics. A range of these genes are expressed in CRPC metastases, suggesting that these microRNA mimics may be functional in CRPC. With further development, these microRNA mimics may have therapeutic potential to improve taxane response in CRPC patients.

Breast cancers display phenotypic and functional heterogeneity and several lines of evidence support the existence of cancer stem cells (CSCs) in certain breast cancers, a minor population of cells capable of tumor initiation and metastatic dissemination. Identifying factors that regulate the CSC phenotype is therefore important for developing strategies to treat metastatic disease. The Inhibitor of Differentiation Protein 1 (Id1) and its closely related family member Inhibitor of Differentiation 3 (Id3) (collectively termed Id) are expressed by a diversity of stem cells and are required for metastatic dissemination in experimental models of breast cancer. In this study, we show that ID1 is expressed in rare neoplastic cells within ER-negative breast cancers. To address the function of Id1 expressing cells within tumors, we developed two independent murine models of Triple Negative Breast Cancer (TNBC) in which a genetic reporter permitted the prospective isolation of Id1+ cells. Id1+ cells are enriched for self-renewal in tumorsphere assays in vitro and for tumor initiation in vivo . Conversely, depletion of Id1 and Id3 in the 4T1 murine model of TNBC demonstrates that Id1/3 are required for cell proliferation and self-renewal in vitro , as well as primary tumor growth and metastatic colonization of the lung in vivo . Using combined bioinformatic analysis, we have defined a novel mechanism of Id protein function via negative regulation of the Roundabout Axon Guidance Receptor Homolog 1 ( Robo1 ) leading to activation of a Myc transcriptional programme.* CSC : Cancer stem cell TNBC : Triple Negative Breast Cancer Id : Id1 and Id3