Abstract Purpose: PARP1/2 inhibitors are a class of anticancer agents that target tumor-specific defects in DNA repair. Here, we describe BMN 673, a novel, highly potent PARP1/2 inhibitor with favorable metabolic stability, oral bioavailability, and pharmacokinetic properties. Experimental Design: Potency and selectivity of BMN 673 was determined by biochemical assays. Anticancer activity either as a single-agent or in combination with other antitumor agents was evaluated both in vitro and in xenograft cancer models. Results: BMN 673 is a potent PARP1/2 inhibitor (PARP1 IC50 = 0.57 nmol/L), but it does not inhibit other enzymes that we have tested. BMN 673 exhibits selective antitumor cytotoxicity and elicits DNA repair biomarkers at much lower concentrations than earlier generation PARP1/2 inhibitors (such as olaparib, rucaparib, and veliparib). In vitro, BMN 673 selectively targeted tumor cells with BRCA1, BRCA2, or PTEN gene defects with 20- to more than 200-fold greater potency than existing PARP1/2 inhibitors. BMN 673 is readily orally bioavailable, with more than 40% absolute oral bioavailability in rats when dosed in carboxylmethyl cellulose. Oral administration of BMN 673 elicited remarkable antitumor activity in vivo; xenografted tumors that carry defects in DNA repair due to BRCA mutations or PTEN deficiency were profoundly sensitive to oral BMN 673 treatment at well-tolerated doses in mice. Synergistic or additive antitumor effects were also found when BMN 673 was combined with temozolomide, SN38, or platinum drugs. Conclusion: BMN 673 is currently in early-phase clinical development and represents a promising PARP1/2 inhibitor with potentially advantageous features in its drug class. Clin Cancer Res; 19(18); 5003–15. ©2013 AACR.

Small-molecule inhibitors of PARP1/2, such as olaparib, have been proposed to serve as a synthetic lethal therapy for cancers that harbor BRCA1 or BRCA2 mutations. Indeed, in clinical trials, PARP1/2 inhibitors elicit sustained antitumor responses in patients with germline BRCA gene mutations. In hypothesizing that additional genetic determinants might direct use of these drugs, we conducted a genome-wide synthetic lethal screen for candidate olaparib sensitivity genes. In support of this hypothesis, the set of identified genes included known determinants of olaparib sensitivity, such as BRCA1, RAD51, and Fanconi's anemia susceptibility genes. In addition, the set included genes implicated in established networks of DNA repair, DNA cohesion, and chromatin remodeling, none of which were known previously to confer sensitivity to PARP1/2 inhibition. Notably, integration of the list of candidate sensitivity genes with data from tumor DNA sequencing studies identified CDK12 deficiency as a clinically relevant biomarker of PARP1/2 inhibitor sensitivity. In models of high-grade serous ovarian cancer (HGS-OVCa), CDK12 attenuation was sufficient to confer sensitivity to PARP1/2 inhibition, suppression of DNA repair via homologous recombination, and reduced expression of BRCA1. As one of only nine genes known to be significantly mutated in HGS-OVCa, CDK12 has properties that should confirm interest in its use as a biomarker, particularly in ongoing clinical trials of PARP1/2 inhibitors and other agents that trigger replication fork arrest.

Abstract Children and young adults with glioblastoma (GBM) have a median survival rate of only 12 to 15 months, and these GBMs are clinically and biologically distinct from histologically similar cancers in older adults. They are defined by highly specific mutations in the gene encoding the histone H3.3 variant H3F3A, occurring either at or close to key residues marked by methylation for regulation of transcription—K27 and G34. Here, we show that the cerebral hemisphere-specific G34 mutation drives a distinct expression signature through differential genomic binding of the K36 trimethylation mark (H3K36me3). The transcriptional program induced recapitulates that of the developing forebrain, and involves numerous markers of stem-cell maintenance, cell-fate decisions, and self-renewal. Critically, H3F3A G34 mutations cause profound upregulation of MYCN, a potent oncogene that is causative of GBMs when expressed in the correct developmental context. This driving aberration is selectively targetable in this patient population through inhibiting kinases responsible for stabilization of the protein. Significance: We provide the mechanistic explanation for how the first histone gene mutation in human disease biology acts to deliver MYCN, a potent tumorigenic initiator, into a stem-cell compartment of the developing forebrain, selectively giving rise to incurable cerebral hemispheric GBM. Using synthetic lethal approaches to these mutant tumor cells provides a rational way to develop novel and highly selective treatment strategies. Cancer Discov; 3(5); 512–19. ©2013 AACR. See related commentary by Huang and Weiss, p. 484 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 471

The cyclic GMP-AMP synthase/stimulator of IFN genes (cGAS/STING) pathway detects cytosolic DNA to activate innate immune responses. Poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi) selectively target cancer cells with DNA repair deficiencies such as those caused by BRCA1 mutations or ERCC1 defects. Using isogenic cell lines and patient-derived samples, we showed that ERCC1-defective non–small cell lung cancer (NSCLC) cells exhibit an enhanced type I IFN transcriptomic signature and that low ERCC1 expression correlates with increased lymphocytic infiltration. We demonstrated that clinical PARPi, including olaparib and rucaparib, have cell-autonomous immunomodulatory properties in ERCC1-defective NSCLC and BRCA1-defective triple-negative breast cancer (TNBC) cells. Mechanistically, PARPi generated cytoplasmic chromatin fragments with characteristics of micronuclei; these were found to activate cGAS/STING, downstream type I IFN signaling, and CCL5 secretion. Importantly, these effects were suppressed in PARP1-null TNBC cells, suggesting that this phenotype resulted from an on-target effect of PARPi on PARP1. PARPi also potentiated IFN-γ–induced PD-L1 expression in NSCLC cell lines and in fresh patient tumor cells; this effect was enhanced in ERCC1-deficient contexts. Our data provide a preclinical rationale for using PARPi as immunomodulatory agents in appropriately molecularly selected populations.

Protein complexes are responsible for the bulk of activities within the cell, but how their behavior and composition varies across tumors remains poorly understood. By combining proteomic profiles of breast tumors with a large-scale protein-protein interaction network, we have identified a set of 258 high-confidence protein complexes whose subunits have highly correlated protein abundance across tumor samples. We used this set to identify complexes that are reproducibly under- or over-expressed in specific breast cancer subtypes. We found that mutation or deletion of one subunit of a complex was often associated with a collateral reduction in protein expression of additional complex members. This collateral loss phenomenon was evident from proteomic, but not transcriptomic, profiles suggesting post-transcriptional control. Mutation of the tumor suppressor E-cadherin (CDH1) was associated with a collateral loss of members of the adherens junction complex, an effect we validated using an engineered model of E-cadherin loss.

Continuing recalcitrance to therapy cements pancreatic cancer (PC) as the most lethal malignancy, which is set to become the second leading cause of cancer death in our society. We interrogated the transcriptome, genome, proteome and functional characteristics of 61 novel PC patient-derived cell lines to define novel therapeutic strategies targeting the DNA damage response (DDR) and replication stress. We show that patient-derived cell lines faithfully recapitulate the epithelial component of pancreatic tumors including previously described molecular subtypes. Biomarkers of DDR deficiency, including a novel signature of homologous recombination deficiency, co-segregates with response to platinum and PARP inhibitor therapy in vitro and in vivo. We generated a novel signature of replication stress with potential clinical utility in predicting response to ATR and WEE1 inhibitor treatment. Replication stress and DDR deficiency are independent of each other, creating opportunities for therapy in DDR proficient PC, and post-platinum therapy.