The emergence of drug resistance limits the efficacy of targeted therapies in human tumors. The prevalent view is that resistance is a fait accompli: when treatment is initiated, cancers already contain drug-resistant mutant cells. Bacteria exposed to antibiotics transiently increase their mutation rates (adaptive mutability), thus improving the likelihood of survival. We investigated whether human colorectal cancer (CRC) cells likewise exploit adaptive mutability to evade therapeutic pressure. We found that epidermal growth factor receptor (EGFR)/BRAF inhibition down-regulates mismatch repair (MMR) and homologous recombination DNA-repair genes and concomitantly up-regulates error-prone polymerases in drug-tolerant (persister) cells. MMR proteins were also down-regulated in patient-derived xenografts and tumor specimens during therapy. EGFR/BRAF inhibition induced DNA damage, increased mutability, and triggered microsatellite instability. Thus, like unicellular organisms, tumor cells evade therapeutic pressures by enhancing mutability.

Entrectinib is a first-in-class pan-TRK kinase inhibitor currently undergoing clinical testing in colorectal cancer and other tumor types. A patient with metastatic colorectal cancer harboring an LMNA-NTRK1 rearrangement displayed a remarkable response to treatment with entrectinib, which was followed by the emergence of resistance. To characterize the molecular bases of the patient's relapse, circulating tumor DNA (ctDNA) was collected longitudinally during treatment, and a tissue biopsy, obtained before entrectinib treatment, was transplanted in mice (xenopatient), which then received the same entrectinib regimen until resistance developed. Genetic profiling of ctDNA and xenopatient samples showed acquisition of two point mutations in the catalytic domain of NTRK1, p.G595R and p.G667C. Biochemical and pharmacologic analysis in multiple preclinical models confirmed that either mutation renders the TRKA kinase insensitive to entrectinib. These findings can be immediately exploited to design next-generation TRKA inhibitors.We provide proof of principle that analyses of xenopatients (avatar) and liquid biopsies allow the identification of drug resistance mechanisms in parallel with clinical treatment of an individual patient. We describe for the first time that p.G595R and p.G667C TRKA mutations drive acquired resistance to entrectinib in colorectal cancers carrying NTRK1 rearrangements.

Blockade of the epidermal growth factor receptor (EGFR) with the monoclonal antibodies cetuximab or panitumumab is effective in a subset of colorectal cancers (CRCs), but the emergence of resistance limits the efficacy of these therapeutic agents. At relapse, the majority of patients develop RAS mutations, while a subset acquires EGFR extracellular domain (ECD) mutations. Here we find that patients who experience greater and longer responses to EGFR blockade preferentially develop EGFR ECD mutations, while RAS mutations emerge more frequently in patients with smaller tumour shrinkage and shorter progression-free survival. In circulating cell-free tumour DNA of patients treated with anti-EGFR antibodies, RAS mutations emerge earlier than EGFR ECD variants. Subclonal RAS but not EGFR ECD mutations are present in CRC samples obtained before exposure to EGFR blockade. These data indicate that clonal evolution of drug-resistant cells is associated with the clinical outcome of CRC patients treated with anti-EGFR antibodies.

Neoantigens that arise as a consequence of tumour-specific mutations can be recognized by T lymphocytes leading to effective immune surveillance. In colorectal cancer (CRC) and other tumour types, a high number of neoantigens is associated with patient response to immune therapies. The molecular processes governing the generation of neoantigens and their turnover in cancer cells are poorly understood. We exploited CRC as a model system to understand how alterations in DNA repair pathways modulate neoantigen profiles over time. We performed Whole Exome Sequencing (WES) and RNA sequencing (RNAseq) in CRC cell lines, in vitro and vivo, and in CRC patient-derived xenografts (PDXs) to track longitudinally genomic profiles, clonal evolution, mutational signatures and predicted neoantigens. The majority of CRC models showed remarkably stable mutational and neoantigen profiles, however those carrying defects in DNA repair genes continuously diversified. Rapidly evolving and evolutionary stable CRCs displayed characteristic genomic signatures, and transcriptional profiles. Downregulation of molecules implicated in antigen presentation occurred selectively in highly mutated and rapidly-evolving CRC. These results indicate that CRC carrying alterations in DNA repair pathways display dynamic neoantigen patterns that fluctuate over time. We define CRC subsets characterized by slow and fast evolvability and link this phenotype to downregulation of antigen-presenting cellular mechanisms. Longitudinal monitoring of the neoantigen landscape could be relevant in the context of precision medicine.