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.

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.