Activation of the PI3K-AKT pathway in tumors is modulated by negative feedback, including mTORC1-mediated inhibition of upstream signaling. We now show that AKT inhibition induces the expression and phosphorylation of multiple receptor tyrosine kinases (RTKs). In a wide spectrum of tumor types, inhibition of AKT induces a conserved set of RTKs, including HER3, IGF-1R, and insulin receptor. This is in part due to mTORC1 inhibition and in part secondary to a FOXO-dependent activation of receptor expression. PI3K-AKT inhibitors relieve this feedback and activate RTK signaling; this may attenuate their antitumor activity. Consistent with this model, we find that, in tumors in which AKT suppresses HER3 expression, combined inhibition of AKT and HER kinase activity is more effective than either alone.

Hypoactive BRAF mutants bind more tightly than wild type to the upstream regulator RAS, thus amplifying to amplify ERK signalling; tumours expressing these mutants require coexistent mechanisms for RAS activation to grow and are sensitive to their inhibition. Mutant alleles of the kinase BRAF have been identified in human tumours, some of which have activated catalytic functions, whereas others have impaired or absent kinase activity. Here Neal Rosen and colleagues have characterized the less-understood hypoactive BRAF mutants. They find that these mutants bind more tightly to the upstream regulator RAS in order to amplify signalling and require coexistent mechanisms for RAS activation in the tumour in order to function. The mechanistic action of these hypoactive BRAF mutants is different to that of the activated mutants and dictates their sensitivity to therapeutic inhibitors of the pathway. Elsewhere in this issue, David Santamaria and colleagues show that kinase-inactive BRAF mutants can initiate the development of lung adenocarcinoma in mice. Approximately 200 BRAF mutant alleles have been identified in human tumours. Activating BRAF mutants cause feedback inhibition of GTP-bound RAS, are RAS-independent and signal either as active monomers (class 1) or constitutively active dimers (class 2)1. Here we characterize a third class of BRAF mutants—those that have impaired kinase activity or are kinase-dead. These mutants are sensitive to ERK-mediated feedback and their activation of signalling is RAS-dependent. The mutants bind more tightly than wild-type BRAF to RAS–GTP, and their binding to and activation of wild-type CRAF is enhanced, leading to increased ERK signalling. The model suggests that dysregulation of signalling by these mutants in tumours requires coexistent mechanisms for maintaining RAS activation despite ERK-dependent feedback. Consistent with this hypothesis, melanomas with these class 3 BRAF mutations also harbour RAS mutations or NF1 deletions. By contrast, in lung and colorectal cancers with class 3 BRAF mutants, RAS is typically activated by receptor tyrosine kinase signalling. These tumours are sensitive to the inhibition of RAS activation by inhibitors of receptor tyrosine kinases. We have thus defined three distinct functional classes of BRAF mutants in human tumours. The mutants activate ERK signalling by different mechanisms that dictate their sensitivity to therapeutic inhibitors of the pathway.

Abstract mTOR kinase inhibitors block mTORC1 and mTORC2 and thus do not cause the mTORC2 activation of AKT observed with rapamycin. We now show, however, that these drugs have a biphasic effect on AKT. Inhibition of mTORC2 leads to AKT serine 473 (S473) dephosphorylation and a rapid but transient inhibition of AKT T308 phosphorylation and AKT signaling. However, inhibition of mTOR kinase also relieves feedback inhibition of receptor tyrosine kinases (RTK), leading to subsequent phosphoinositide 3-kinase activation and rephosphorylation of AKT T308 sufficient to reactivate AKT activity and signaling. Thus, catalytic inhibition of mTOR kinase leads to a new steady state characterized by profound suppression of mTORC1 and accumulation of activated AKT phosphorylated on T308, but not S473. Combined inhibition of mTOR kinase and the induced RTKs fully abolishes AKT signaling and results in substantial cell death and tumor regression in vivo. These findings reveal the adaptive capabilities of oncogenic signaling networks and the limitations of monotherapy for inhibiting feedback-regulated pathways. Significance: The results of this study show the adaptive capabilities of oncogenic signaling networks, as AKT signaling becomes reactivated through a feedback-induced AKT species phosphorylated on T308 but lacking S473. The addition of RTK inhibitors can prevent this reactivation of AKT signaling and cause profound cell death and tumor regression in vivo, highlighting the possible need for combinatorial approaches to block feedback-regulated pathways. Cancer Discovery; 1(3); 248–59. © 2011 AACR. Read the Commentary on this article by Keniry and Parsons, p. 203 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 189

Precision medicines exert selective pressure on tumour cells that leads to the preferential growth of resistant subpopulations, necessitating the development of next-generation therapies to treat the evolving cancer. The PIK3CA-AKT-mTOR pathway is one of the most commonly activated pathways in human cancers, which has led to the development of small-molecule inhibitors that target various nodes in the pathway. Among these agents, first-generation mTOR inhibitors (rapalogs) have caused responses in 'N-of-1' cases, and second-generation mTOR kinase inhibitors (TORKi) are currently in clinical trials. Here we sought to delineate the likely resistance mechanisms to existing mTOR inhibitors in human cell lines, as a guide for next-generation therapies. The mechanism of resistance to the TORKi was unusual in that intrinsic kinase activity of mTOR was increased, rather than a direct active-site mutation interfering with drug binding. Indeed, identical drug-resistant mutations have been also identified in drug-naive patients, suggesting that tumours with activating MTOR mutations will be intrinsically resistant to second-generation mTOR inhibitors. We report the development of a new class of mTOR inhibitors that overcomes resistance to existing first- and second-generation inhibitors. The third-generation mTOR inhibitor exploits the unique juxtaposition of two drug-binding pockets to create a bivalent interaction that allows inhibition of these resistant mutants.

Persistent mTORC1 signaling correlates with resistance to PI3K p110α inhibition in breast cancer, which can be overcome by inhibiting mTORC1.

LBA507 Background: In monarchE (NCT03155997), 2 years of adjuvant abemaciclib + ET resulted in sustained improvement in invasive disease-free survival (IDFS; HR=0.680, 7.6% absolute benefit at 5 years) in patients (pts) with HR+, HER2-, node-positive, high-risk EBC. Here, we investigate the prognostic value of ctDNA detection and dynamics in pts from monarchE. Methods: Samples were analyzed from a selected pt subset (n=1397; abemaciclib + ET arm, n=685; ET arm, n=712), enriched for overall IDFS events compared to the total monarchE study population (IDFS event rate: 31% [433/1397] vs 18% [992/5637]). Pts had blood collected pre-study treatment (baseline) and at 3, 6, or 24 months. ctDNA detection was performed using the personalized, tumor informed Signatera ctDNA assay (Natera, Inc) and whole exome sequencing (WES) of matched primary tumor and normal required for assay design was performed. Results: Among 1397 pts, 65% (n=910) had sufficient plasma samples and WES performed, and all 910 had successful ctDNA assay testing. Among these 910 pts, the IDFS event rate was 27% (abemaciclib + ET, 23% [101/438]; ET alone, 31% [146/472]). Rates of ctDNA positivity (at baseline and any change from baseline) and associated IDFS events are shown in Table. Among pts with ctDNA positivity, 87% had an IDFS event in comparison to 15% with persistent ctDNA negative (-) status during the study. Conclusions: In a pt subset from monarchE enriched for IDFS events, ctDNA detection was relatively infrequent (<20%); however, its detection at any time during the 24 months of study therapy was adversely prognostic. As compared to pts who had remaining ctDNA positive (+), pts who had clearance of ctDNA on therapy had lower risk of IDFS events, but the event risk still remained clinically meaningful in these pts. Clinical trial information: NCT03155997 . [Table: see text]

PURPOSE Imlunestrant is a next-generation oral selective estrogen receptor (ER) degrader designed to deliver continuous ER target inhibition, including in ESR1-mutant breast cancer. This phase Ia/b trial determined the recommended phase II dose (RP2D), safety, pharmacokinetics, and efficacy of imlunestrant, as monotherapy and in combination with targeted therapy, in ER-positive (ER+) advanced breast cancer (ABC) and endometrial endometrioid cancer. The ER+/human epidermal growth factor receptor 2–negative (HER2–) ABC experience is reported here. METHODS An i3+3 dose-escalation design was used, followed by dose expansions of imlunestrant as monotherapy or in combination with abemaciclib with or without aromatase inhibitor (AI), everolimus, or alpelisib. Imlunestrant was administered orally once daily and with the combination partner per label. RESULTS Overall, 262 patients with ER+/HER2– ABC were treated (phase Ia, n = 74; phase Ib, n = 188). Among patients who received imlunestrant monotherapy (n = 114), no dose-limiting toxicities or discontinuations occurred. At the RP2D (400 mg once daily), patients (n = 51) reported grade 1-2 nausea (39.2%), fatigue (39.2%), and diarrhea (29.4%). Patients at RP2D had received previous cyclin-dependent kinase 4/6 inhibitor (CDK4/6i; 92.2%), fulvestrant (41.2%), and chemotherapy (29.4%) for ABC and achieved a median progression-free survival (mPFS) of 7.2 months (95% CI, 3.7 to 8.3). Among patients who received imlunestrant + abemaciclib (n = 42) and imlunestrant + abemaciclib + AI (n = 43), most (69.4%) were treatment-naïve for ABC; all were CDK4/6i-naïve. Patients treated with imlunestrant + everolimus (n = 42)/alpelisib (n = 21) had received previous CDK4/6i (100%), fulvestrant (34.9%), and chemotherapy (17.5%) for ABC. No new safety signals or interactions with partnered drugs were observed. The mPFS was 19.2 months (95% CI, 13.8 to not available) for imlunestrant + abemaciclib and was not reached for imlunestrant + abemaciclib + AI. The mPFS with imlunestrant + everolimus/alpelisib was 15.9 months (95% CI, 11.3 to 19.1)/9.2 months (95% CI, 3.7 to 11.1). Antitumor activity was evident regardless of ESR1 mutation status. CONCLUSION Imlunestrant, as monotherapy or in combination with targeted therapy, had a manageable safety profile with evidence of preliminary antitumor activity in ER+/HER2– ABC.