Clinical trials in melanoma patients carrying B-RAF gene mutations have shown promising results with the B-RAF kinase inhibitor PLX4032, but many patients go on to become resistant. Two papers now uncover possible mechanisms for this resistance. Nazarian et al. report that melanomas can acquire resistance due to mutations of N-RAS or increased expression of PDGFRβ, and Johannessen et al. report resistance due to upregulation of MAP3K8/COT. Each of these mechanisms seems to apply to some patients in the recent PLX4032 trial, yet surprisingly, no secondary B-RAF mutations were observed. Recent data from early clinical trials in melanoma patients carrying mutations in the B-RAF gene have shown promising results with the B-RAF kinase inhibitor PLX4032; however, many patients eventually develop resistance to this treatment. Two papers now uncover possible mechanisms of resistance to PLX4032. One paper shows that upregulation of MAP3K8 (which encodes COT) can confer resistance of melanoma cells to B-RAF inhibitors, whereas another paper found that melanomas can acquire resistance due to mutations of N-RAS or increased expression of PDGFRβ. Each of these resistance mechanisms seems to apply to at least some patients on recent PLX4032 trial, whereas, surprisingly, so far no secondary B-RAF mutations have been observed. Activating B-RAF(V600E) (also known as BRAF) kinase mutations occur in ∼7% of human malignancies and ∼60% of melanomas1. Early clinical experience with a novel class I RAF-selective inhibitor, PLX4032, demonstrated an unprecedented 80% anti-tumour response rate among patients with B-RAF(V600E)-positive melanomas, but acquired drug resistance frequently develops after initial responses2. Hypotheses for mechanisms of acquired resistance to B-RAF inhibition include secondary mutations in B-RAF(V600E), MAPK reactivation, and activation of alternative survival pathways3,4,5. Here we show that acquired resistance to PLX4032 develops by mutually exclusive PDGFRβ (also known as PDGFRB) upregulation or N-RAS (also known as NRAS) mutations but not through secondary mutations in B-RAF(V600E). We used PLX4032-resistant sub-lines artificially derived from B-RAF(V600E)-positive melanoma cell lines and validated key findings in PLX4032-resistant tumours and tumour-matched, short-term cultures from clinical trial patients. Induction of PDGFRβ RNA, protein and tyrosine phosphorylation emerged as a dominant feature of acquired PLX4032 resistance in a subset of melanoma sub-lines, patient-derived biopsies and short-term cultures. PDGFRβ-upregulated tumour cells have low activated RAS levels and, when treated with PLX4032, do not reactivate the MAPK pathway significantly. In another subset, high levels of activated N-RAS resulting from mutations lead to significant MAPK pathway reactivation upon PLX4032 treatment. Knockdown of PDGFRβ or N-RAS reduced growth of the respective PLX4032-resistant subsets. Overexpression of PDGFRβ or N-RAS(Q61K) conferred PLX4032 resistance to PLX4032-sensitive parental cell lines. Importantly, MAPK reactivation predicts MEK inhibitor sensitivity. Thus, melanomas escape B-RAF(V600E) targeting not through secondary B-RAF(V600E) mutations but via receptor tyrosine kinase (RTK)-mediated activation of alternative survival pathway(s) or activated RAS-mediated reactivation of the MAPK pathway, suggesting additional therapeutic strategies.

Abstract BRAF inhibitors elicit rapid antitumor responses in the majority of patients with BRAFV600-mutant melanoma, but acquired drug resistance is almost universal. We sought to identify the core resistance pathways and the extent of tumor heterogeneity during disease progression. We show that mitogen-activated protein kinase reactivation mechanisms were detected among 70% of disease-progressive tissues, with RAS mutations, mutant BRAF amplification, and alternative splicing being most common. We also detected PI3K–PTEN–AKT–upregulating genetic alterations among 22% of progressive melanomas. Distinct molecular lesions in both core drug escape pathways were commonly detected concurrently in the same tumor or among multiple tumors from the same patient. Beyond harboring extensively heterogeneous resistance mechanisms, melanoma regrowth emerging from BRAF inhibitor selection displayed branched evolution marked by altered mutational spectra/signatures and increased fitness. Thus, melanoma genomic heterogeneity contributes significantly to BRAF inhibitor treatment failure, implying upfront, cotargeting of two core pathways as an essential strategy for durable responses. Significance: This study provides critical insights into how human BRAF-mutant melanoma, a malignancy with marked mutational burden, escapes from BRAF inhibitors. Understanding the core resistance pathways as well as tumor heterogeneity, fitness, and mutational patterns, which emerge under drug selection, lays a foundation to rationalize clinical studies and investigate mechanisms of disease progression. Cancer Discov; 4(1); 80–93. ©2013 AACR. See related commentary by Solit and Rosen, p. 27 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1

The development of acquired drug resistance hampers the long-term success of B-RAF inhibitor therapy for melanoma patients. Here we show V600EB-RAF copy-number gain as a mechanism of acquired B-RAF inhibitor resistance in 4 out of 20 (20%) patients treated with B-RAF inhibitor. In cell lines, V600EB-RAF overexpression and knockdown conferred B-RAF inhibitor resistance and sensitivity, respectively. In V600EB-RAF amplification-driven (versus mutant N-RAS-driven) B-RAF inhibitor resistance, extracellular signal-regulated kinase reactivation is saturable, with higher doses of vemurafenib down-regulating phosho-extracellular signal-regulated kinase and re-sensitizing melanoma cells to B-RAF inhibitor. These two mechanisms of extracellular signal-regulated kinase reactivation are sensitive to the MEK1/2 inhibitor AZD6244/selumetinib or its combination with the B-RAF inhibitor vemurafenib. In contrast to mutant N-RAS-mediated V600EB-RAF bypass, which is sensitive to C-RAF knockdown, V600EB-RAF amplification-mediated resistance functions largely independently of C-RAF. Thus, alternative clinical strategies may potentially overcome distinct modes of extracellular signal-regulated kinase reactivation underlying acquired B-RAF inhibitor resistance in melanoma. B-RAF is mutated in a large proportion of melanomas, and the first small molecule inhibitor has recently been approved for melanoma treatment. Here, by exome sequencing melanoma samples, Shi and colleagues show that B-RAF is amplified in tumours that have acquired resistance to the B-RAF inhibitor vemurafenib.

Clinically acquired resistance to MAPK inhibitor (MAPKi) therapies for melanoma cannot be fully explained by genomic mechanisms and may be accompanied by co-evolution of intra-tumoral immunity. We sought to discover non-genomic mechanisms of acquired resistance and dynamic immune compositions by a comparative, transcriptomic-methylomic analysis of patient-matched melanoma tumors biopsied before therapy and during disease progression. Transcriptomic alterations across resistant tumors were highly recurrent, in contrast to mutations, and were frequently correlated with differential methylation of tumor cell-intrinsic CpG sites. We identified in the tumor cell compartment supra-physiologic c-MET up-expression, infra-physiologic LEF1 down-expression and YAP1 signature enrichment as drivers of acquired resistance. Importantly, high intra-tumoral cytolytic T cell inflammation prior to MAPKi therapy preceded CD8 T cell deficiency/exhaustion and loss of antigen presentation in half of disease-progressive melanomas, suggesting cross-resistance to salvage anti-PD-1/PD-L1 immunotherapy. Thus, melanoma acquires MAPKi resistance with highly dynamic and recurrent non-genomic alterations and co-evolving intra-tumoral immunity.

Tumour cells respond to an effective, targeted drug treatment with BRAF, ALK or EGFR kinase inhibitors by inducing a complex network of secreted signals that promote tumour growth, dissemination and metastasis of drug-resistant cancer cell clones, and increase the survival of drug-sensitive tumour cells, potentially contributing to incomplete tumour regression. Targeted kinase inhibitors such as have proved clinically effective in melanoma with BRAF mutations and in lung adenocarcinoma with EGFR mutations or ALK translocations, but drug resistance almost always follows. This study by Joan Massagué and colleagues shows that tumour cells responding to kinase inhibitors induce a complex network of secreted signals that promote tumour growth, dissemination and metastasis of drug-resistant cancer cell clones, and increase the survival of drug-sensitive tumour cells, potentially contributing to incomplete tumour regression. Drug resistance invariably limits the clinical efficacy of targeted therapy with kinase inhibitors against cancer1,2. Here we show that targeted therapy with BRAF, ALK or EGFR kinase inhibitors induces a complex network of secreted signals in drug-stressed human and mouse melanoma and human lung adenocarcinoma cells. This therapy-induced secretome stimulates the outgrowth, dissemination and metastasis of drug-resistant cancer cell clones and supports the survival of drug-sensitive cancer cells, contributing to incomplete tumour regression. The tumour-promoting secretome of melanoma cells treated with the kinase inhibitor vemurafenib is driven by downregulation of the transcription factor FRA1. In situ transcriptome analysis of drug-resistant melanoma cells responding to the regressing tumour microenvironment revealed hyperactivation of several signalling pathways, most prominently the AKT pathway. Dual inhibition of RAF and the PI(3)K/AKT/mTOR intracellular signalling pathways blunted the outgrowth of the drug-resistant cell population in BRAF mutant human melanoma, suggesting this combination therapy as a strategy against tumour relapse. Thus, therapeutic inhibition of oncogenic drivers induces vast secretome changes in drug-sensitive cancer cells, paradoxically establishing a tumour microenvironment that supports the expansion of drug-resistant clones, but is susceptible to combination therapy.

Combined BRAF- and MEK-targeted therapy improves upon BRAF inhibitor (BRAFi) therapy but is still beset by acquired resistance. We show that melanomas acquire resistance to combined BRAF and MEK inhibition by augmenting or combining mechanisms of single-agent BRAFi resistance. These double-drug resistance-associated genetic configurations significantly altered molecular interactions underlying MAPK pathway reactivation. V600EBRAF, expressed at supraphysiological levels because of V600EBRAF ultra-amplification, dimerized with and activated CRAF. In addition, MEK mutants enhanced interaction with overexpressed V600EBRAF via a regulatory interface at R662 of V600EBRAF. Importantly, melanoma cell lines selected for resistance to BRAFi+MEKi, but not those to BRAFi alone, displayed robust drug addiction, providing a potentially exploitable therapeutic opportunity.

Although loss-of-function p53 alterations are widespread in many tumors, melanomas typically do not harbor TP53 mutations. This report uncovers upregulation of MDM4 as a frequent trait of melanomas that contributes to tumorigenesis by inactivating p53 signaling. MDM4 is required for growth and survival of melanoma cell lines, and compounds that can target MDM4 are effective against melanoma in vivo and against tumors resistant to BRAF-targeted therapy in vitro. The inactivation of the p53 tumor suppressor pathway, which often occurs through mutations in TP53 (encoding tumor protein 53) is a common step in human cancer. However, in melanoma—a highly chemotherapy-resistant disease—TP53 mutations are rare, raising the possibility that this cancer uses alternative ways to overcome p53-mediated tumor suppression. Here we show that Mdm4 p53 binding protein homolog (MDM4), a negative regulator of p53, is upregulated in a substantial proportion (∼65%) of stage I–IV human melanomas and that melanocyte-specific Mdm4 overexpression enhanced tumorigenesis in a mouse model of melanoma induced by the oncogene Nras. MDM4 promotes the survival of human metastatic melanoma by antagonizing p53 proapoptotic function. Notably, inhibition of the MDM4-p53 interaction restored p53 function in melanoma cells, resulting in increased sensitivity to cytotoxic chemotherapy and to inhibitors of the BRAF (V600E) oncogene. Our results identify MDM4 as a key determinant of impaired p53 function in human melanoma and designate MDM4 as a promising target for antimelanoma combination therapy.

Synchronizing therapy and diagnosis is an ideal mode for clinical treatment of localized disease, e.g., tumor. Here, we develop a diagnosis-therapy coupled sonodynamic nano delivery system ZSMT which is constructed with a TiO2 embedding hollow Mn-MOF. Loaded with perfluorohexane, the ZSMT nanoparticle is not only capable for carrying ozone as a ROS donor but also endowed with double modes of imaging, namely ultrasound and magnetic resonance imaging. The TiO2-Mn-MOF can efficiently generate ROS by sonodynamic catalyzing ozone. Moreover, fluorescent tracer indicates the ZSMT particle can be internalized by tumor cells. With the stimulation of ultrasound, ozone carried ZSMT potently inhibits cell proliferation and promotes immunogenic cell death in vitro and in vivo by inducing a mitochondrial related cell death. Remarkably, combination of ultrasound-responsive ozone catalytic nano system and PD-1 blockade systematically suppresses the tumor growth by reprogramming the immune microenvironment. In conclusion, our sonodynamic nano system not only proves the principle of drug administration strategy on "treat-as-you-see" but also provides a combo regimen of improving PD-1 blockade with precision localized antigen boosting.

Although immune checkpoint blockade (ICB) therapy has shown promise in colorectal cancer patients with high microsatellite instability (MSI-H), response rates remain low for the majority of patients. Key challenges include the exhaustion of CD8+ T cells and the presence of immunosuppressive cells within the tumor microenvironment. By integrating digital spatial profiling and scRNA sequencing, we found that the tumor-intrinsic activation of focal adhesion kinase (FAK) was strongly correlated with the heterogeneity and exhaustion of CD8+ T cells within the spatial context of the tumor microenvironment and correlated with patient survival. Pharmacological inhibition or genetic loss of FAK enhanced antitumor immune responses and synergistically potentiated αPD-1 and αTIM-3 immunotherapy by augmenting CD8+ T cell cytotoxicity and restoring exhaustion in preclinical models of colorectal cancer. Mechanistically, nuclear FAK was found to regulate SP1/IL-6-mediated T cell exhaustion and the transcription of proinflammatory cytokines/chemokines. These findings underscore FAK's pivotal role in CD8+ T cell exhaustion within the immunosuppressive tumor microenvironment, suggesting that FAK is a promising target for advancing cancer immunotherapy.