Oncogenic tyrosine kinases have proved to be promising targets for the development of highly effective anticancer drugs. However, tyrosine kinase inhibitors (TKIs) against the human epidermal growth factor receptor (HER) family show only limited activity against HER2-driven breast cancers, despite effective inhibition of epidermal growth factor receptor (EGFR) and HER2 in vivo. The reasons for this are unclear. Signalling in trans is a key feature of this multimember family and the critically important phosphatidylinositol-3-OH kinase (PI(3)K)/Akt pathway is driven predominantly through transphosphorylation of the kinase-inactive HER3 (refs 9, 10). Here we show that HER3 and consequently PI(3)K/Akt signalling evade inhibition by current HER-family TKIs in vitro and in tumours in vivo. This is due to a compensatory shift in the HER3 phosphorylation-dephosphorylation equilibrium, driven by increased membrane HER3 expression driving the phosphorylation reaction and by reduced HER3 phosphatase activity impeding the dephosphorylation reaction. These compensatory changes are driven by Akt-mediated negative-feedback signalling. Although HER3 is not a direct target of TKIs, HER3 substrate resistance undermines their efficacy and has thus far gone undetected. The experimental abrogation of HER3 resistance by small interfering RNA knockdown restores potent pro-apoptotic activity to otherwise cytostatic HER TKIs, re-affirming the oncogene-addicted nature of HER2-driven tumours and the therapeutic promise of this oncoprotein target. However, because HER3 signalling is buffered against an incomplete inhibition of HER2 kinase, much more potent TKIs or combination strategies are required to silence oncogenic HER2 signalling effectively. The biologic marker with which to assess the efficacy of HER TKIs should be the transphosphorylation of HER3 rather than autophosphorylation.

TGFβ ligands act as tumor suppressors in early stage tumors but are paradoxically diverted into potent prometastatic factors in advanced cancers. The molecular nature of this switch remains enigmatic. Here, we show that TGFβ-dependent cell migration, invasion and metastasis are empowered by mutant-p53 and opposed by p63. Mechanistically, TGFβ acts in concert with oncogenic Ras and mutant-p53 to induce the assembly of a mutant-p53/p63 protein complex in which Smads serve as essential platforms. Within this ternary complex, p63 functions are antagonized. Downstream of p63, we identified two candidate metastasis suppressor genes associated with metastasis risk in a large cohort of breast cancer patients. Thus, two common oncogenic lesions, mutant-p53 and Ras, selected in early neoplasms to promote growth and survival, also prefigure a cellular set-up with particular metastasis proclivity by TGFβ-dependent inhibition of p63 function.

Phosphorylation of the α-subunit of initiation factor 2 (eIF2) controls protein synthesis by a conserved mechanism. In metazoa, distinct stress conditions activate different eIF2α kinases (PERK, PKR, GCN2, and HRI) that converge on phosphorylating a unique serine in eIF2α. This collection of signaling pathways is termed the ‘integrated stress response’ (ISR). eIF2α phosphorylation diminishes protein synthesis, while allowing preferential translation of some mRNAs. Starting with a cell-based screen for inhibitors of PERK signaling, we identified a small molecule, named ISRIB, that potently (IC50 = 5 nM) reverses the effects of eIF2α phosphorylation. ISRIB reduces the viability of cells subjected to PERK-activation by chronic endoplasmic reticulum stress. eIF2α phosphorylation is implicated in memory consolidation. Remarkably, ISRIB-treated mice display significant enhancement in spatial and fear-associated learning. Thus, memory consolidation is inherently limited by the ISR, and ISRIB releases this brake. As such, ISRIB promises to contribute to our understanding and treatment of cognitive disorders.

Abstract KRAS mutation is a hallmark of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) but remains an intractable pharmacologic target. Consequently, defining RAS effector pathway(s) required for PDA initiation and maintenance is critical to improve treatment of this disease. Here, we show that expression of BRAFV600E, but not PIK3CAH1047R, in the mouse pancreas leads to pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN) lesions. Moreover, concomitant expression of BRAFV600E and TP53R270H result in lethal PDA. We tested pharmacologic inhibitors of RAS effectors against multiple human PDA cell lines. Mitogen-activated protein (MAP)/extracellular signal–regulated (ERK) kinase (MEK) inhibition was highly effective both in vivo and in vitro and was synergistic with AKT inhibition in most cell lines tested. We show that RAF→MEK→ERK signaling is central to the initiation and maintenance of PDA and to rational combination strategies in this disease. These results emphasize the value of leveraging multiple complementary experimental systems to prioritize pathways for effective intervention strategies in PDA. Significance: PDA is difficult to treat, in large part, due to recurrent mutations in the KRAS gene. Here, we define rational treatment approaches for the disease achievable today with existing drug combinations by thorough genetic and pharmacologic dissection of the major KRAS effector pathways, RAF→MEK→ERK and phosphoinositide 3′-kinase (PI3′K)→AKT. Cancer Discov; 2(8); 685–93. ©2012 AACR. Read the Commentary on this article by Hanrahan et al., p. 666. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 653.

Targeted drug delivery systems that combine imaging and therapeutic modalities in a single macromolecular construct may offer advantages in the development and application of nanomedicines. To incorporate the unique optical properties of luminescent quantum dots (QDs) into immunoliposomes for cancer diagnosis and treatment, we describe the synthesis, biophysical characterization, tumor cell-selective internalization, and anticancer drug delivery of QD-conjugated immunoliposome-based nanoparticles (QD-ILs). Pharmacokinetic properties and in vivo imaging capability of QD-ILs were also investigated. Freeze-fracture electron microscopy was used to visualize naked QDs, liposome controls, nontargeted QD-conjugated liposomes (QD-Ls), and QD-ILs. QD-ILs prepared by insertion of anti-HER2 scFv exhibited efficient receptor-mediated endocytosis in HER2-overexpressing SK-BR-3 and MCF-7/HER2 cells but not in control MCF-7 cells as analyzed by flow cytometry and confocal microscopy. In contrast, nontargeted QD-Ls showed minimal binding and uptake in these cells. Doxorubicin-loaded QD-ILs showed efficient anticancer activity, while no cytotoxicity was observed for QD-ILs without chemotherapeutic payload. In athymic mice, QD-ILs significantly prolonged circulation of QDs, exhibiting a plasma terminal half-life (t1/2) of ∼2.9 h as compared to free QDs with t1/2 < 10 min. In MCF-7/HER2 xenograft models, localization of QD-ILs at tumor sites was confirmed by in vivo fluorescence imaging.

Immunotargeting of tumor-specific antigens is a powerful therapeutic strategy. Immunotherapies directed at MHC-I complexes have expanded the scope of antigens and enabled the direct targeting of intracellular oncoproteins at the cell surface. We asked whether covalent drugs that alkylate mutated residues on oncoproteins could act as haptens to generate unique MHC-I-restricted neoantigens. Here, we report that KRAS G12C mutant cells treated with the covalent inhibitor ARS1620 present ARS1620-modified peptides in MHC-I complexes. Using ARS1620-specific antibodies identified by phage display, we show that these haptenated MHC-I complexes can serve as tumor-specific neoantigens and that a bispecific T cell engager construct based on a hapten-specific antibody elicits a cytotoxic T cell response against KRAS G12C cells, including those resistant to direct KRAS G12C inhibition. With multiple K-RAS G12C inhibitors in clinical use or undergoing clinical trials, our results present a strategy to enhance their efficacy and overcome the rapidly arising tumor resistance.

Abstract The αvβ8 integrin is a key activator of transforming growth factor β (TGF β), which has been shown to inhibit anti-tumor immunity. Previous work has suggested that αvβ8 on tumor cells could modulate tumor growth and responses to immune checkpoint blockade. We now show that a potent blocking monoclonal antibody against αvβ8 (ADWA-11) causes growth suppression or complete regression in syngeneic models of squamous cell carcinoma (CCK168), mammary cancer (EMT-6), colon cancer (CT26), and prostate cancer (TRAMPC2), especially when it is combined with other immunomodulators (anti-PD-1, anti-CTLA-4 or 4-1BB) or radiotherapy. αvβ8 is expressed on tumor cells in some of these models, but tumor cell expression of αvβ8 is not essential for the beneficial effects of ADWA-11 therapy. αvβ8 is consistently expressed at highest levels on CD4+CD25+ T cells within tumors, and specific deletion of Itgb8 from T cells is as effective as ADWA-11 in suppressing tumor growth. Treatment with ADWA-11 increases expression of a suite of genes in tumor infiltrating CD8+ T cells that are normally inhibited by TGFβ and are involved in tumor cell killing, including Granzyme B and Interferon-γ. These findings solidify αvβ8 integrin as a promising target for cancer immunotherapy, even for tumors that do not express this integrin.

Abstract A central challenge for any therapeutic is targeting diseased over normal cells. Proteolysis is frequently upregulated in disease and can generate proteoforms with unique neo-epitopes. We hypothesize that targeting proteolytic neo-epitopes can enable more effective and safer treatments, reflecting a conditional layer of disease-specific regulation. Here, we characterized the precise proteolytic isoforms of CUB domain containing protein 1 (CDCP1), a protein overexpressed and specifically cleaved in RAS-driven cancers. We validated that the N-terminal and C-terminal fragments of CDCP1 remain associated after proteolysis in vitro and on the surface of pancreatic cancer cells. Using a differential phage display strategy, we generated exquisitely selective recombinant antibodies that target cells harboring cleaved CDCP1 and not the full-length form using antibody-drug conjugates or a bi-specific T-cell engagers. We show tumor-specific localization and anti-tumor activity in a syngeneic pancreatic tumor model having superior safety profiles compared to a pan-CDCP1-targeting antibody. Our studies show proteolytic neo-epitopes can provide an orthogonal “AND” gate for disease-specific targeting. One-Sentence Summary Antibody-based targeting of neo-epitopes generated by disease-associated proteolysis improves the therapeutic index

Abstract KRAS mutations cause a quarter of cancer mortality and most are undruggable. Several inhibitors of the MAPK pathway are FDA approved but poorly tolerated at dosages required to adequately extinguish RAS/RAF/MAPK signaling. We found that oncogenic KRAS signaling induces ferrous iron (Fe 2+ ) accumulation early in and throughout KRAS-mediated transformation. We used an FDA-approved MEK inhibitor to produce a prototypical Ferrous Iron–Activatable Drug Conjugate (FeADC) which achieved potent MAPK blockade in tumor cells while sparing normal tissues. This innovation allowed sustainable, effective treatment of tumor bearing animals, with tumor-selective drug activation producing superior systemic tolerability. Ferrous iron accumulation is an exploitable feature of KRAS transformation and FeADCs hold promise for improving treatment of KRAS-driven solid tumors.

Abstract CD38 is a surface ectoenzyme expressed at high levels on myeloma plasma cells and is the target for the monoclonal antibodies (mAbs) daratumumab and isatuximab. CD38 density on tumor cells is an important determinant of mAb efficacy, and CD38 loss after mAb treatment may play a role in resistance. Several small molecules have been found to increase tumor surface CD38, with the goal of boosting mAb efficacy in a co-treatment strategy. Here we sought to extend our currently limited insight into CD38 surface expression by using a multi-omics approach. Genome-wide CRISPR-interference screens integrated with patient-centered epigenetic analysis confirmed known regulators of CD38 , such as RARA, while revealing XBP1 and SPI1 as other key transcription factors governing surface CD38 levels. CD38 knockdown followed by cell surface proteomics demonstrated no significant remodeling of the myeloma “surfaceome” after genetically-induced loss of this antigen. Integrated transcriptome and surface proteome data confirmed high specificity of all-trans retinoic acid in upregulating CD38 in contrast to broader effects of azacytidine and panobinostat. Finally, unbiased phosphoproteomics identified inhibition of MAP kinase pathway signaling in tumor cells after daratumumab treatment. Our work provides a resource to design strategies to enhance efficacy of CD38-targeting immunotherapies in myeloma.