To identify approaches to target DNA repair vulnerabilities in cancer, we discovered nanomolar potent, selective, low molecular weight (MW), allosteric inhibitors of the polymerase function of DNA polymerase Polθ, including ART558. ART558 inhibits the major Polθ-mediated DNA repair process, Theta-Mediated End Joining, without targeting Non-Homologous End Joining. In addition, ART558 elicits DNA damage and synthetic lethality in BRCA1- or BRCA2-mutant tumour cells and enhances the effects of a PARP inhibitor. Genetic perturbation screening revealed that defects in the 53BP1/Shieldin complex, which cause PARP inhibitor resistance, result in in vitro and in vivo sensitivity to small molecule Polθ polymerase inhibitors. Mechanistically, ART558 increases biomarkers of single-stranded DNA and synthetic lethality in 53BP1-defective cells whilst the inhibition of DNA nucleases that promote end-resection reversed these effects, implicating these in the synthetic lethal mechanism-of-action. Taken together, these observations describe a drug class that elicits BRCA-gene synthetic lethality and PARP inhibitor synergy, as well as targeting a biomarker-defined mechanism of PARPi-resistance.

Summary paragraph Poly-(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi) elicit anti-tumour activity in homologous recombination defective cancers by promoting cytotoxic, chromatin-bound, “trapped” PARP1. How cells process trapped PARP1 remains unclear. By exploiting wild-type or trapping-resistant PARP1 transgenes combined with either a rapid immunoprecipitation mass-spectrometry of endogenous proteins (RIME)-based approach, or PARP1 Apex2-proximity labelling linked to mass-spectrometry, we generated proteomic profiles of trapped and non-trapped PARP1 complexes. This combined approach identified an interaction between trapped PARP1 and the ubiquitin-regulated p97 ATPase (aka VCP). Subsequent experiments demonstrated that upon trapping, PARP1 is SUMOylated by the SUMO-ligase PIAS4 and subsequently ubiquitinated by the SUMO-targeted E3-ubiquitin ligase, RNF4, events that promote p97 recruitment and p97 ATPase-mediated removal of trapped-PARP1 from chromatin. Consistent with this, small molecule p97 complex inhibitors, including a metabolite of the clinically-used drug disulfiram (CuET) that acts as a p97 sequestration agent, prolong PARP1 trapping and thus enhance PARPi-induced cytotoxicity in homologous recombination-defective tumour cells and patient-derived tumour organoids. Taken together, these results suggest that p97 ATPase plays a key role in the processing of trapped PARP1 from chromatin and the response of homologous recombination defective tumour cells to PARPi.

Aberrant activation of the Wnt signalling pathway is required for tumour initiation and survival in the majority of colorectal cancers. The development of inhibitors of Wnt signalling has been the focus of multiple drug discovery programs targeting colorectal cancer and other malignancies associated with aberrant pathway activation. However, progression of new clinical entities targeting the Wnt pathway has been slow. One challenge lies with the limited predictive power of 2D cancer cell lines because they fail to fully recapitulate intratumoural phenotypic heterogeneity. In particular, the relationship between 2D cancer cell biology and cancer stem cell function is poorly understood. By contrast, 3D tumour organoids provide a platform in which complex cell-cell interactions can be studied. However, complex 3D models provide a challenging platform for the quantitative analysis of drug responses of therapies that have differential effects on tumour cell subpopulations. Here, we generated tumour organoids from colorectal cancer patients and tested their responses to inhibitors of Tankyrase (TNKSi) which are known to modulate Wnt signalling. Using compounds with 3 orders of magnitude difference in cellular mechanistic potency together with image-based assays, we demonstrate that morphometric analyses can capture subtle alterations in organoid responses to Wnt inhibitors that are consistent with activity against a cancer stem cell subpopulation. Overall our study highlights the value of phenotypic readouts as a quantitative method to asses drug-induced effects in a relevant preclinical model.