Abstract Three-dimensional (3D) epigenome remodelling is an important mechanism of gene deregulation in cancer. However, its potential as a target to overcome therapy resistance remains largely unaddressed. Here we show that FDA-approved epigenetic therapy Decitabine (5-Aza-mC) suppresses tumour growth in preclinical metastatic ER+ breast tumour xenograft models. Decitabine-induced genome-wide DNA hypomethylation results in large-scale 3D epigenome deregulation, including de-compaction of higher order chromatin structure and loss of topologically associated domain boundary insulation. Significant DNA hypomethylation at ER-enhancer elements was associated with gain in ER binding, creation of ectopic 3D enhancer-promoter interactions and concordant activation of ER-mediated transcription pathways. Importantly long-term withdrawal of epigenetic therapy partially restores methylation at ER-enhancer elements, resulting in loss of ectopic 3D enhancer-promoter interactions and associated gene repression. Our study illustrates how epigenetic therapy has potential to target ER+ endocrine-resistant breast cancer by DNA methylation-dependent rewiring of 3D chromatin interactions associated with suppression of tumour growth.

Abstract Background Resistance to endocrine therapy is a major clinical challenge in the management of estrogen receptor (ER)-positive breast cancer. In this setting p53 is frequently wildtype and its activity may be suppressed via upregulation of its key regulator MDM2. This underlies our rationale to evaluate MDM2 inhibition as a therapeutic strategy in treatment resistant ER-positive breast cancer. Methods We used the MDM2 inhibitor NVP-CGM097 to treat in vitro and in vivo models alone and in combination with fulvestrant or palbociclib. We perform cell viability, cell cycle, apoptosis and senescence assays to evaluate antitumor effects in p53 wildtype and p53 mutant ER positive cell lines (MCF-7, ZR75-1, T-47D) and MCF-7 lines resistant to endocrine therapy and to CDK4/6 inhibition. We further assess the drug effects in patient-derived xenograft (PDX) models of endocrine-sensitive and -resistant ER positive breast cancer. Results We demonstrate that MDM2 inhibition results in cell cycle arrest and increased apoptosis in p53-wildtype in vitro and in vivo breast cancer models, leading to potent anti-tumour activity. We find that endocrine therapy or CDK4/6 inhibition synergises with MDM2 inhibition but does not further enhance apoptosis. Instead, combination treatments result in profound regulation of cell cycle-related transcriptional programmes, with synergy achieved through increased antagonism of cell cycle progression. Combination therapy pushes cell lines resistant to fulvestrant or palbociclib to become senescent and significantly reduces tumour growth in a fulvestrant resistant patient derived xenograft model. Conclusions We conclude that MDM2 inhibitors in combination with ER degraders or CDK4/6 inhibitors represent a rational strategy for treating advanced, endocrine resistant ER-positive breast cancer, operating through synergistic activation of cell cycle co-regulatory programs.

Basal-like breast cancers (BLBC) are aggressive breast cancers that respond poorly to targeted therapies and chemotherapies. In order to define therapeutically targetable subsets of BLBC we examined two markers: cyclin E1 and BRCA1 loss. In high grade serous ovarian cancer (HGSOC) these markers are mutually exclusive, and define therapeutic subsets. We tested the same hypothesis for BLBC. Using a BLBC cohort enriched for BRCA1 loss, we identified convergence between BRCA1 loss and high cyclin E1 expression, in contrast to HGSOC in which CCNE1 amplification drives increased cyclin E1 gene expression. Instead, BRCA1 loss stabilized cyclin E1 during the cell cycle. Using siRNA we showed that BRCA1 loss leads to stabilization of cyclin E1 by reducing phospho-cyclin E1-T62, and conversely the overexpression of BRCA1 increased phospho-T62. Mutation of cyclin E1-T62 to alanine increased cyclin E1 stability. We showed that tumors with high cyclin E1/BRCA1 mutation in the BLBC cohort had decreased phospho-T62, supporting this hypothesis. Since cyclin E1/CDK2 protects cells from DNA damage and cyclin E1 is elevated in BRCA1 mutant cancers, we hypothesized that CDK2 inhibition would sensitize these cancers to PARP inhibition. CDK2 inhibition induced DNA damage and synergized with PARP inhibitors to reduce cell viability in BRCA1 mutated cell lines. Treatment of BLBC patient-derived xenograft models with combination PARP and CDK2 inhibition led to tumor regression and increased survival. We conclude that BRCA1 status and high cyclin E1 have potential as predictive biomarkers to dictate the therapeutic use of combination CDK inhibitors/PARP inhibitors in BLBC.