We investigated the frequency and function of mutations and increased copy number of the PIK3CA gene in lung cancers. PIK3CA mutations are one of the most common gene changes present in human cancers. We analyzed the mutational status of exons 9 and 20 and gene copy number of PIK3CA using 86 non-small cell lung cancer (NSCLC) cell lines, 43 small cell lung cancer (SCLC) cell lines, 3 extrapulmonary small cell cancer (ExPuSC) cell lines, and 691 resected NSCLC tumors and studied the relationship between PIK3CA alterations and mutational status of epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling pathway genes (EGFR, KRAS, HER2, and BRAF). We also determined PIK3CA expression and activity and correlated the findings with effects on cell growth. We identified mutations in 4.7% of NSCLC cell lines and 1.6% of tumors of all major histologic types. Mutations in cell lines of small cell origin were limited to two ExPuSC cell lines. PIK3CA copy number gains were more frequent in squamous cell carcinoma (33.1%) than in adenocarcinoma (6.2%) or SCLC lines (4.7%). Mutational status of PIK3CA was not mutually exclusive to EGFR or KRAS. PIK3CA alterations were associated with increased phosphatidylinositol 3-kinase activity and phosphorylated Akt expression. RNA interference-mediated knockdown of PIK3CA inhibited colony formation of cell lines with PIK3CA mutations or gains but was not effective in PIK3CA wild-type cells. PIK3CA mutations or gains are present in a subset of lung cancers and are of functional importance.

Bromodomain and extra terminal domain (BET) proteins function as epigenetic signaling factors that associate with acetylated histones and facilitate transcription of target genes. Inhibitors targeting the activity of BET proteins have shown potent antiproliferative effects in hematological cancers through the suppression of c -MYC and downstream target genes. However, as the epigenetic landscape of a cell varies drastically depending on lineage, transcriptional coactivators such as BETs would be expected to have different targets in cancers derived from different cells of origin, and this may influence the activity and mechanism of action of BET inhibitors. To test this hypothesis, we treated a panel of lung adenocarcinoma (LAC) cell lines with the BET inhibitor JQ1 and found that a subset is acutely susceptible to BET inhibition. In contrast to blood tumors, we show that LAC cells are inhibited by JQ1 through a mechanism independent of c-MYC down-regulation. Through gene expression profiling, we discovered that the oncogenic transcription factor FOSL1 and its targets are suppressed by JQ1 in a dose-dependant manner. Knockdown of BRD4 also decreased FOSL1 levels, and inhibition of FOSL1 phenocopied the effects of JQ1 treatment, suggesting that loss of this transcription factor may be partly responsible for the cytotoxic effects of BET inhibition in LAC cells, although ectopic expression of FOSL1 alone did not rescue the phenotype. Together, these findings suggest that BET inhibitors may be useful in solid tumors and that cell-lineage–specific differences in transcriptional targets of BETs may influence the activity of inhibitors of these proteins in different cancer types.

The RAS family of proto-oncogenes are among the most commonly mutated genes in human cancers and predict poor clinical outcome. Several mechanisms underlying oncogenic RAS transformation are well documented, including constitutive signaling through the RAF-MEK-ERK proproliferative pathway as well as the PI3K-AKT prosurvival pathway. Notably, control of redox balance has also been proposed to contribute to RAS transformation. However, how homeostasis between reactive oxygen species (ROS) and antioxidants, which have opposing effects in the cell, ultimately influence RAS-mediated transformation and tumor progression is still a matter of debate and the mechanisms involved have not been fully elucidated. Here, we show that oncogenic KRAS protects fibroblasts from oxidative stress by enhancing intracellular GSH levels. Using a whole transcriptome approach, we discovered that this is attributable to transcriptional up-regulation of xCT, the gene encoding the cystine/glutamate antiporter. This is in line with the function of xCT, which mediates the uptake of cystine, a precursor for GSH biosynthesis. Moreover, our results reveal that the ETS-1 transcription factor downstream of the RAS-RAF-MEK-ERK signaling cascade directly transactivates the xCT promoter in synergy with the ATF4 endoplasmic reticulum stress-associated transcription factor. Strikingly, xCT was found to be essential for oncogenic KRAS-mediated transformation in vitro and in vivo by mitigating oxidative stress, as knockdown of xCT strongly impaired growth of tumor xenografts established from KRAS-transformed cells. Overall, this study uncovers a mechanism by which oncogenic RAS preserves intracellular redox balance and identifies an unexpected role for xCT in supporting RAS-induced transformation and tumorigenicity.

Abstract High-throughput phenotype-based screening of large libraries of novel compounds without known targets can identify small molecules that elicit a desired cellular response, but additional approaches are required to find and characterize their targets and mechanisms of action. Here we show that a compound termed lung cancer screen 3 (LCS3), previously selected for its ability to impair the growth of human lung adenocarcinoma (LUAD) cell lines, but not normal lung cells, induces oxidative stress and activates the NRF2 signaling pathway by generating reactive oxygen species (ROS) in sensitive LUAD cell lines. To identify the target that mediates this effect, we applied thermal proteome profiling (TPP) and uncovered the disulfide reductases GSR and TXNRD1 as LCS3 targets. Through enzymatic assays using purified protein, we confirmed that LCS3 inhibits disulfide reductase activity through a reversible, uncompetitive mechanism. Further, we demonstrate that LCS3-sensitive LUAD cells are correspondingly sensitive to the synergistic inhibition of glutathione and thioredoxin pathways. Lastly, a genome-wide CRISPR knockout screen identified the loss of NQO1 as a mechanism of LCS3 resistance. This work highlights the ability of TPP to uncover targets of small molecules identified by high-throughput screens and demonstrates the potential utility of inhibiting disulfide reductases as a therapeutic strategy for LUAD.

Abstract MEK inhibitors have yielded limited efficacy in KRAS-mutant lung adenocarcinoma (LUAD) patients due to drug resistance. We established trametinib-resistant KRAS-mutant LUAD cells and describe a state of “drug addiction” in a subset of resistant cases where cells are dependent on trametinib for survival. Dependence on ERK2 suppression underlies this phenomenon whereby trametinib removal hyperactivates ERK and results in ER stress and apoptosis. Amplification of KRAS G12C occurs in drug-addicted cells and blocking mutant specific activity with AMG 510 rescues the lethality after trametinib withdrawal. Furthermore, increased KRAS G12C expression is lethal to other KRAS mutant LUAD cells, consequential to ERK hyperactivation. Our study represents the first instance of this phenotype associated with KRAS amplification and demonstrates that acquired genetic changes that develop in the background of MAPK suppression can have unique consequence. We suggest that the presence of mutant KRAS amplification in patients may identify those that may benefit from a “drug holiday” to circumvent drug resistance. These findings demonstrate the toxic potential of hyperactive ERK signaling and highlight potential therapeutic opportunities in patients bearing KRAS mutations.

Large-scale analyses of cancer genomes are revealing patterns of mutations that suggest biologically significant ideas about many aspects of cancer, including carcinogenesis, classification, and preventive and therapeutic strategies. Among those patterns is “mutual exclusivity”, a phenomenon observed when two or more mutations that are commonly observed in samples of a type of cancer are not found combined in individual tumors. We have been studying a striking example of mutual exclusivity: the absence of co-existing mutations in the KRAS and EGFR proto-oncogenes in human lung adenocarcinomas, despite the high individual frequencies of such mutations in this common type of cancer. Multiple lines of evidence suggest that toxic effects of the joint expression of KRAS and EGFR mutant oncogenes, rather than loss of any selective advantages conferred by a second oncogene that operates through the same signaling pathway, are responsible for the observed mutational pattern. We discuss the potential for understanding the physiological basis of such toxicity, for exploiting it therapeutically, and for extending the studies to other examples of mutual exclusivity.

We recently described the synthetic lethality that results when mutant KRAS and mutant EGFR are co-expressed in human lung adenocarcinoma (LUAD) cells, revealing the biological basis for the mutual exclusivity of KRAS and EGFR mutations in lung cancers. We have now further defined the biochemical events responsible for the toxic effects of signaling through the RAS pathway. By combining pharmacological and genetic approaches, we have developed multiple lines of evidence that signaling through extracellular signal-regulated kinases (ERK1/2) mediates the toxicity. These findings imply that tumors with mutant oncogenes that drive signaling through the RAS pathway must restrain the activity of ERK1/2 to avoid cell toxicities and enable tumor growth. In particular, a dual specificity phosphatase, DUSP6, regulates phosphorylated (P)-ERK levels in lung adenocarcinoma cells, providing negative feedback to the RAS signaling pathway. Accordingly, inhibition of DUSP6 is cytotoxic in LUAD cells driven by either mutant KRAS or mutant EGFR, phenocopying the effects of co-expression of mutant KRAS and EGFR. Together, these data suggest that targeting DUSP6 or other feedback regulators of the EGFR-KRAS-ERK pathway may offer a strategy for treating certain cancers by exceeding an upper threshold of RAS-mediated signaling. Note: A.M.U., W.W.L. and H.V. are Co-Corresponding Authors.

Abstract Background Identification of driver mutations and development of targeted therapies has considerably improved outcomes for lung cancer patients. However, significant limitations remain with the lack of identified drivers in a large subset of patients. Here, we aimed to assess the genomic landscape of lung adenocarcinomas (LUADs) from individuals without a history of tobacco use to reveal new genetic drivers of lung cancer. Methods Integrative genomic analyses combining whole-exome sequencing, copy number, and mutational information for 83 LUAD tumors was performed and validated using external datasets to identify genetic variants with a predicted functional consequence and assess association with clinical outcomes. LUAD cell lines with alteration of identified candidates were used to functionally characterize tumor suppressive potential using a conditional expression system both in vitro and in vivo. Results We identified 21 genes with evidence of positive selection, including 12 novel candidates that have yet to be characterized in LUAD. In particular, SNF2 Histone Linker PHD RING Helicase ( SHPRH ) was identified due to its frequency of biallelic disruption and location within the familial susceptibility locus on chromosome arm 6q. We found that low SHPRH mRNA expression is associated with poor survival outcomes in LUAD patients. Furthermore, we showed that re-expression of SHPRH in LUAD cell lines with inactivating alterations for SHPRH reduces their in vitro colony formation and tumor burden in vivo. Finally, we explored the biological pathways associated SHPRH inactivation and found an association with the tolerance of LUAD cells to DNA damage. Conclusions These data suggest that SHPRH is a tumor suppressor gene in LUAD, whereby its expression is associated with more favorable patient outcomes, reduced tumor and mutational burden, and may serve as a predictor of response to DNA damage. Thus, further exploration into the role of SHPRH in LUAD development may make it a valuable biomarker for predicting LUAD risk and prognosis.

Summary Lineage transformation between lung cancer subtypes is a poorly understood phenomenon associated with resistance to treatment and poor patient outcomes. Here, we aimed to model this transition to define underlying biological mechanisms and identify potential avenues for therapeutic intervention. Small cell lung cancer (SCLC) is neuroendocrine in origin and, in contrast to non-SCLC (NSCLC), rarely contains mutations that drive the MAPK pathway. Likewise, NSCLCs that transform to SCLC concomitantly with development of therapy resistance downregulate MAPK signaling, suggesting an inverse relationship between pathway activation and lineage state. To test this, we activated MAPK in SCLC through conditional expression of mutant KRAS or EGFR, which revealed suppression of the neuroendocrine differentiation program via ERK. We found that ERK induces the expression of ETS factors that mediate transformation into a NSCLC-like state. ATAC-seq demonstrated ERK-driven changes in chromatin accessibility at putative regulatory regions and global chromatin rewiring at neuroendocrine and ETS transcriptional targets. Further, ERK-mediated induction of ETS factors as well as suppression of neuroendocrine differentiation were dependent on histone acetyltransferase activities of CBP/p300. Overall, we describe how the ERK-CBP/p300-ETS axis promotes a lineage shift between neuroendocrine and non-neuroendocrine lung cancer phenotypes and provide rationale for the disruption of this program during transformation-driven resistance to targeted therapy.