Abstract The ESR1 ligand binding domain activating mutations are the most prevalent genetic mechanism of acquired endocrine resistance in metastatic hormone receptor-positive breast cancer. These mutations confer endocrine resistance that remains estrogen receptor (ER) dependent. We hypothesized that in the presence of the ER mutations, continued ER blockade with endocrine therapies that target mutant ER is essential for tumor suppression even with chemotherapy treatment. Here, we conducted comprehensive pre-clinical in vitro and in vivo experiments testing the efficacy of adding fulvestrant to fluorouracil (5FU) and the 5FU pro-drug, capecitabine, in models of wild-type (WT) and mutant ER. Our findings revealed that while this combination had an additive effect in the presence of WT-ER, in the presence of the Y537S ER mutation there was synergy. Notably, these effects were not seen with the combination of 5FU and selective estrogen receptor modulators, such as tamoxifen, or in the absence of intact P53. Likewise, in a patient-derived xenograft (PDX) harboring a Y537S ER mutation the addition of fulvestrant to capecitabine potentiated tumor suppression. Moreover, multiplex immunofluorescence revealed that this effect was due to decreased cell proliferation in all cells expressing ER and was not dependent on the degree of ER expression. Taken together, these results support the clinical investigation of the combination of ER antagonists with capecitabine in patients with metastatic hormone receptor-positive breast cancer who have experienced progression on endocrine therapy and targeted therapies, particularly in the presence of an ESR1 activating mutation.

Abstract The analysis of circulating tumor DNA (ctDNA) is increasingly used for monitoring disease in patients with metastatic cancer. Here, we introduce a robust and reproducible strategy combining low-pass whole methylome sequencing of plasma DNA with METER, a novel computational tool. Engaging prediction models trained on independent available datasets, METER enables the detection and quantification of tumor content (TC) and performs molecular cancer subtyping. Applied to plasma methylomes from early metastatic breast cancer patients, our method demonstrated reliable quantification, sensitive tumor detection below 3% of TC, and the ability to perform accurate Estrogen Receptor (ER) subtyping. METER provided clinically relevant predictions, underscored by associations with relevant prognostic factors, robust correlation with matched circulating tumor cells, and highly correlated with patients’ outcomes in challenging scenarios as TC<3%. Our strategy provides comprehensive and sensitive analysis of plasma samples, serving as a valuable yet cost-effective precision oncology tool.

Abstract Most invasive lobular breast cancers (ILC) are of the luminal A subtype and strongly hormone receptor positive. Yet, they are relatively resistant to tamoxifen and are associated with inferior long-term outcomes compared to invasive ductal cancers (IDC). In this study, we sought to gain mechanistic insights into these clinical findings that are not explained by the genetic landscape of ILC and to identify strategies to improve patient outcomes. Through a comprehensive analysis of the epigenome of ILC in pre-clinical models and clinical samples we found that compared to IDC, ILC has a distinct chromatin state that is linked to gained recruitment of FOXA1, a lineage-defining pioneer transcription factor. This results in an ILC-unique FOXA1-estrogen receptor (ER) axis that promotes the transcription of genes associated with tumor progression and poor outcomes. The ILC-unique FOXA1-ER axis leads to retained ER chromatin binding after tamoxifen treatment thereby facilitating tamoxifen resistance while remaining strongly dependent on ER signaling. Mechanistically, gained FOXA1 binding was associated with the auto-induction of FOXA1 in ILC through an ILC-unique FOXA1 binding site. Targeted silencing of this regulatory site resulted in the disruption of the feed-forward loop and growth inhibition in ILC. In summary, we show that ILC is characterized by a unique cell state and FOXA1-ER axis that dictate tumor progression and offer a novel mechanism of tamoxifen resistance. These results underscore the importance of conducting clinical trials dedicated to patients with ILC to optimize endocrine treatments in this breast cancer subtype.