Background Nuclear factor erythroid-2 related factor 2 (NRF2) is a redox-sensitive transcription factor that positively regulates the expression of genes encoding antioxidants, xenobiotic detoxification enzymes, and drug efflux pumps, and confers cytoprotection against oxidative stress and xenobiotics in normal cells. Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1) negatively regulates NRF2 activity by targeting it to proteasomal degradation. Increased expression of cellular antioxidants and xenobiotic detoxification enzymes has been implicated in resistance of tumor cells against chemotherapeutic drugs. Methods and Findings Here we report a systematic analysis of the KEAP1 genomic locus in lung cancer patients and cell lines that revealed deletion, insertion, and missense mutations in functionally important domains of KEAP1 and a very high percentage of loss of heterozygosity at 19p13.2, suggesting that biallelic inactivation of KEAP1 in lung cancer is a common event. Sequencing of KEAP1 in 12 cell lines and 54 non-small-cell lung cancer (NSCLC) samples revealed somatic mutations in KEAP1 in a total of six cell lines and ten tumors at a frequency of 50% and 19%, respectively. All the mutations were within highly conserved amino acid residues located in the Kelch or intervening region domain of the KEAP1 protein, suggesting that these mutations would likely abolish KEAP1 repressor activity. Evaluation of loss of heterozygosity at 19p13.2 revealed allelic losses in 61% of the NSCLC cell lines and 41% of the tumor samples. Decreased KEAP1 activity in cancer cells induced greater nuclear accumulation of NRF2, causing enhanced transcriptional induction of antioxidants, xenobiotic metabolism enzymes, and drug efflux pumps. Conclusions This is the first study to our knowledge to demonstrate that biallelic inactivation of KEAP1 is a frequent genetic alteration in NSCLC. Loss of KEAP1 function leading to constitutive activation of NRF2-mediated gene expression in cancer suggests that tumor cells manipulate the NRF2 pathway for their survival against chemotherapeutic agents.

Sekar Seshagiri and colleagues report exome, transcriptome and copy-number alteration data in small-cell lung cancer. The authors find SOX2 amplification in 27% of samples and also identify a recurrent RFL-MYCL1 fusion. Small-cell lung cancer (SCLC) is an exceptionally aggressive disease with poor prognosis. Here, we obtained exome, transcriptome and copy-number alteration data from approximately 53 samples consisting of 36 primary human SCLC and normal tissue pairs and 17 matched SCLC and lymphoblastoid cell lines. We also obtained data for 4 primary tumors and 23 SCLC cell lines. We identified 22 significantly mutated genes in SCLC, including genes encoding kinases, G protein–coupled receptors and chromatin-modifying proteins. We found that several members of the SOX family of genes were mutated in SCLC. We also found SOX2 amplification in ∼27% of the samples. Suppression of SOX2 using shRNAs blocked proliferation of SOX2-amplified SCLC lines. RNA sequencing identified multiple fusion transcripts and a recurrent RLF-MYCL1 fusion. Silencing of MYCL1 in SCLC cell lines that had the RLF-MYCL1 fusion decreased cell proliferation. These data provide an in-depth view of the spectrum of genomic alterations in SCLC and identify several potential targets for therapeutic intervention.

Abstract Immune checkpoint inhibitors have shown significant therapeutic responses against tumors containing increased mutation-associated neoantigen load. We have examined the evolving landscape of tumor neoantigens during the emergence of acquired resistance in patients with non–small cell lung cancer after initial response to immune checkpoint blockade with anti–PD-1 or anti–PD-1/anti–CTLA-4 antibodies. Analyses of matched pretreatment and resistant tumors identified genomic changes resulting in loss of 7 to 18 putative mutation-associated neoantigens in resistant clones. Peptides generated from the eliminated neoantigens elicited clonal T-cell expansion in autologous T-cell cultures, suggesting that they generated functional immune responses. Neoantigen loss occurred through elimination of tumor subclones or through deletion of chromosomal regions containing truncal alterations, and was associated with changes in T-cell receptor clonality. These analyses provide insight into the dynamics of mutational landscapes during immune checkpoint blockade and have implications for the development of immune therapies that target tumor neoantigens. Significance: Acquired resistance to immune checkpoint therapy is being recognized more commonly. This work demonstrates for the first time that acquired resistance to immune checkpoint blockade can arise in association with the evolving landscape of mutations, some of which encode tumor neoantigens recognizable by T cells. These observations imply that widening the breadth of neoantigen reactivity may mitigate the development of acquired resistance. Cancer Discov; 7(3); 264–76. ©2017 AACR. See related commentary by Yang, p. 250. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 235

Abstract Epigenetic alterations are strongly associated with the development of cancer. We conducted a phase I/II trial of combined epigenetic therapy with azacitidine and entinostat, inhibitors of DNA methylation and histone deacetylation, respectively, in extensively pretreated patients with recurrent metastatic non–small cell lung cancer. This therapy is well tolerated, and objective responses were observed, including a complete response and a partial response in a patient who remains alive and without disease progression approximately 2 years after completing protocol therapy. Median survival in the entire cohort was 6.4 months (95% CI 3.8–9.2), comparing favorably with existing therapeutic options. Demethylation of a set of 4 epigenetically silenced genes known to be associated with lung cancer was detectable in serial blood samples in these patients and was associated with improved progression-free (P = 0.034) and overall survival (P = 0.035). Four of 19 patients had major objective responses to subsequent anticancer therapies given immediately after epigenetic therapy. Significance: This study demonstrates that combined epigenetic therapy with low-dose azacitidine and entinostat results in objective, durable responses in patients with solid tumors and defines a blood-based biomarker that correlates with clinical benefit. Cancer Discovery; 1(7); 598–607. ©2011 AACR. Read the Commentary on this article by Rodríguez-Paredes and Esteller, p. 557 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 539

Reversal of promoter DNA hypermethylation and associated gene silencing is an attractive cancer therapy approach. The DNA methylation inhibitors decitabine and azacitidine are efficacious for hematological neoplasms at lower, less toxic, doses. Experimentally, high doses induce rapid DNA damage and cytotoxicity, which do not explain the prolonged time to response observed in patients. We show that transient exposure of cultured and primary leukemic and epithelial tumor cells to clinically relevant nanomolar doses, without causing immediate cytotoxicity, produce an antitumor “memory” response, including inhibition of subpopulations of cancer stem-like cells. These effects are accompanied by sustained decreases in genomewide promoter DNA methylation, gene reexpression, and antitumor changes in key cellular regulatory pathways. Low-dose decitabine and azacitidine may have broad applicability for cancer management.

Despite optimal and early surgical treatment of non–small-cell lung cancer (NSCLC), many patients die of recurrent NSCLC. We investigated the association between gene methylation and recurrence of the tumor.

Cancers of the same tissue-type but in anatomically distinct locations exhibit different molecular dependencies for tumorigenesis. Proximal and distal colon cancers exemplify such characteristics, with BRAFV600E predominantly occurring in proximal colon cancers along with increased DNA methylation phenotype. Using mouse colon organoids, here we show that proximal and distal colon stem cells have distinct transcriptional programs that regulate stemness and differentiation. We identify that the homeobox transcription factor, CDX2, which is silenced by DNA methylation in proximal colon cancers, is a key mediator of the differential transcriptional programs. Cdx2-mediated proximal colon-specific transcriptional program concurrently is tumor suppressive, and Cdx2 loss sufficiently creates permissive state for BRAFV600E-driven transformation. Human proximal colon cancers with CDX2 downregulation showed similar transcriptional program as in mouse proximal organoids with Cdx2 loss. Developmental transcription factors, such as CDX2, are thus critical in maintaining tissue-location specific transcriptional programs that create tissue-type origin specific dependencies for tumor development.

Abstract Background Despite recent advances in lung cancer therapeutics and improving overall survival, disparities persist among socially disadvantaged populations. This study aims to determine the effects of neighborhood deprivation indices (NDI) on lung cancer mortality. This is a multicenter retrospective cohort study assessing the relationship between NDI and overall survival adjusted for age, disease stage, and DNA methylation among biopsy-proven lung cancer patients. State-specific NDI for each year of sample collection were computed at the U.S. census tract level and dichotomized into low- and high-deprivation. Results A total of 173 non small lung cancer patients were included, with n = 85 (49%) and n = 88 (51%) in the low and high-deprivation groups, respectively. NDI was significantly higher among Black patients when compared with White patients ( p = 0.003). There was a significant correlation between DNA methylation and stage for HOXA7, SOX17, ZFP42, HOXA9, CDO1 and TAC1. Only HOXA7 DNA methylation was positively correlated with NDI. The high-deprivation group had a statistically significant shorter survival than the low-deprivation group ( p = 0.02). After adjusting for age, race, stage, and DNA methylation status, belonging to the high-deprivation group was associated with higher mortality with a hazard ratio of 1.81 (95%CI: 1.03–3.19). Conclusions Increased neighborhood-level deprivation may be associated with liquid biopsy DNA methylation, shorter survival, and increased mortality. Changes in health care policies that consider neighborhood-level indices of socioeconomic deprivation may enable a more equitable increase in lung cancer survival.