Mechanisms driving resistance to cyclin-dependent kinase 4/6 inhibitors (CDK4/6i) in hormone receptor-positive (HR+) breast cancer have not been clearly defined. Whole-exome sequencing of 59 tumors with CDK4/6i exposure revealed multiple candidate resistance mechanisms including RB1 loss, activating alterations in AKT1, RAS, AURKA, CCNE2, ERBB2, and FGFR2, and loss of estrogen receptor expression. In vitro experiments confirmed that these alterations conferred CDK4/6i resistance. Cancer cells cultured to resistance with CDK4/6i also acquired RB1, KRAS, AURKA, or CCNE2 alterations, which conferred sensitivity to AURKA, ERK, or CHEK1 inhibition. Three of these activating alterations-in AKT1, RAS, and AURKA-have not, to our knowledge, been previously demonstrated as mechanisms of resistance to CDK4/6i in breast cancer preclinically or in patient samples. Together, these eight mechanisms were present in 66% of resistant tumors profiled and may define therapeutic opportunities in patients. SIGNIFICANCE: We identified eight distinct mechanisms of resistance to CDK4/6i present in 66% of resistant tumors profiled. Most of these have a therapeutic strategy to overcome or prevent resistance in these tumors. Taken together, these findings have critical implications related to the potential utility of precision-based approaches to overcome resistance in many patients with HR+ metastatic breast cancer.This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1079.

Beyond acquired mutations in the estrogen receptor (ER), mechanisms of resistance to ER-directed therapies in ER+ breast cancer have not been clearly defined. We conducted a genome-scale functional screen spanning 10,135 genes to investigate genes whose overexpression confer resistance to selective estrogen receptor degraders. Pathway analysis of candidate resistance genes demonstrated that the FGFR, ERBB, insulin receptor, and MAPK pathways represented key modalities of resistance. In parallel, we performed whole exome sequencing in paired pre-treatment and post-resistance biopsies from 60 patients with ER+ metastatic breast cancer who had developed resistance to ER-targeted therapy. The FGFR pathway was altered via FGFR1, FGFR2, or FGF3 amplifications or FGFR2 mutations in 24 (40%) of the post-resistance biopsies. In 12 of the 24 post-resistance tumors exhibiting FGFR/FGF alterations, these alterations were not detected in the corresponding pre-treatment tumors, suggesting that they were acquired or enriched under the selective pressure of ER-directed therapy. In vitro experiments in ER+ breast cancer cells confirmed that FGFR/FGF alterations led to fulvestrant resistance as well as cross-resistance to the CDK4/6 inhibitor palbociclib. RNA sequencing of resistant cell lines treated with different drug combinations demonstrated that FGFR/FGF induced resistance through ER reprogramming and activation of the MAPK pathway. The resistance phenotypes were reversed by FGFR inhibitors, a MEK inhibitor, and/or a SHP2 inhibitor, suggesting potential treatment strategies. The detection of targetable, clonally acquired genetic alterations in the FGFR pathway in metastatic tumor biopsies highlights the value of serial tumor testing to dissect mechanisms of resistance in human breast cancer and its potential application in directing clinical management.

Synovial sarcoma is an aggressive mesenchymal neoplasm, driven by the SS18-SSX fusion, and characterized by immunogenic antigens expression and exceptionally low T cell infiltration levels. To study the cancer-immune interplay in this disease, we profiled 16,872 cells from 12 human synovial sarcoma tumors using single-cell RNA-sequencing (scRNA-Seq). Synovial sarcoma manifests antitumor immunity, high cellular plasticity and a core oncogenic program, which is predictive of low immune levels and poor clinical outcomes. Using genetic and pharmacological perturbations, we demonstrate that the program is controlled by the SS18-SSX driver and repressed by cytokines secreted by macrophages and T cells in the tumor microenvironment. Network modeling predicted that SS18-SSX promotes the program through HDAC1 and CDK6. Indeed, the combination of HDAC and CDK4/6 inhibitors represses the program, induces immunogenic cell states, and selectively targets synovial sarcoma cells. Our study demonstrates that immune evasion, cellular plasticity, and cell cycle are co-regulated and can be co-targeted in synovial sarcoma and potentially in other malignancies.

Background: High tumor mutation burden (TMB) has been associated with benefit to immunotherapy in multiple tumor types. However, the prevalence of hypermutated breast cancer is not well described. The aim of this study is to evaluate frequency, mutational patterns, and genomic profile of hypermutated breast cancer. Patients and Methods: We used de-identified data from individuals with primary or metastatic breast cancer from six different publicly available genomic studies. The prevalence of hypermutated breast cancer was determined among 3969 patient samples that underwent whole exome sequencing or gene panel sequencing. Samples were classified as having high TMB if they had ≥ 10 mutations per megabase (mut/Mb). An additional 8 patients were identified from a Dana-Farber Cancer Institute cohort for inclusion in the hypermutated cohort. Among patients with high TMB, the mutational patterns, and genomic profile were determined. A subset of patients was treated with regimens containing PD-1 inhibitors. Results: The median TMB was 2.63 mut/Mb. Median TMB significantly varied according to tumor subtype (HR-/HER2- > HER2+ > HR+/HER2-, p < 0.05) and sample type (metastatic > primary, p 2.2x10-16). Hypermutated tumors were found in 198 patients (5%), with an enrichment in metastatic versus primary tumors (8.4% versus 2.9%, p = 6.5 x 10-14). APOBEC activity (59.2%), followed by mismatch repair deficiency (MMRd; 36.4%), were the most common mutational processes among hypermutated tumors. Three patients with hypermutated breast cancer, including two with a dominant APOBEC activity signature and one with a dominant MMRd signature; treated with pembrolizumab-based therapies derived an objective and durable response to therapy. Conclusion: Hypermutation occurs in 5% of all breast cancers, with an enrichment in metastatic tumors. Different mutational signatures are present in this population, with APOBEC activity being the most common dominant process. Preliminary data suggest that hypermutated breast cancers are more likely to benefit from PD-1 inhibitors.

Clinical resistance mechanisms to CDK4/6 inhibitors in HR+ breast cancer have not been clearly Whole exome sequencing of 59 tumors with CDK4/6i exposure revealed multiple candidate resistance mechanisms including RB1 loss, activating alterations in AKT1, RAS, AURKA, CCNE2, ERBB2, and FGFR2, and loss of ER expression. In vitro experiments confirmed that these alterations conferred CDK4/6i resistance. Cancer cells cultured to resistance with CDK4/6i also acquired RB1, KRAS, AURKA, or CCNE2 alterations, which conferred sensitivity to AURKA, ERK, or CHEK1 inhibition. Besides inactivation of RB1, which accounts for ~5% of resistance, seven of these mechanisms have not been previously identified as clinical mediators of resistance to CDK4/6 inhibitors in patients. Three of these - RAS activation, AKT activation, and AURKA activation - have not to our knowledge been previously demonstrated preclinically. Together, these eight mechanisms were present in 80% of resistant tumors profiled and may define therapeutic opportunities in patients.