Clinical responses to anticancer therapies are often restricted to a subset of patients. In some cases, mutated cancer genes are potent biomarkers for responses to targeted agents. Here, to uncover new biomarkers of sensitivity and resistance to cancer therapeutics, we screened a panel of several hundred cancer cell lines—which represent much of the tissue-type and genetic diversity of human cancers—with 130 drugs under clinical and preclinical investigation. In aggregate, we found that mutated cancer genes were associated with cellular response to most currently available cancer drugs. Classic oncogene addiction paradigms were modified by additional tissue-specific or expression biomarkers, and some frequently mutated genes were associated with sensitivity to a broad range of therapeutic agents. Unexpected relationships were revealed, including the marked sensitivity of Ewing’s sarcoma cells harbouring the EWS (also known as EWSR1)-FLI1 gene translocation to poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. By linking drug activity to the functional complexity of cancer genomes, systematic pharmacogenomic profiling in cancer cell lines provides a powerful biomarker discovery platform to guide rational cancer therapeutic strategies. Human cancer cell lines are screened with drugs, undergoing clinical or preclinical investigation, to determine specific genomic alterations associated with response to therapeutic agents. Cancer cell lines are widely used as preclinical models to gain mechanistic and therapeutic insight. Two manuscripts in this issue describe the large-scale genetic and pharmacological characterization of human cancer cell lines. Each group characterized collections of several-hundred cell lines using different platforms and analytical methods. Their results are complementary, and confirm that many human cell lines capture the genomic diversity of their respective cancers. Initial findings include the identification of a number of potential markers of drug sensitivity and resistance. For example, Garnett et al. report an association between EWS-FLI1 gene translocations, frequently found in Ewing's sarcoma, and sensitivity to PARP inhibitors, a class of drug currently in clinical trials for other cancer types. Barretina et al. report a possible association between SLFN11 expression and sensitivity to topoisomerase inhibitors.

Systematic studies of cancer genomes have provided unprecedented insights into the molecular nature of cancer. Using this information to guide the development and application of therapies in the clinic is challenging. Here, we report how cancer-driven alterations identified in 11,289 tumors from 29 tissues (integrating somatic mutations, copy number alterations, DNA methylation, and gene expression) can be mapped onto 1,001 molecularly annotated human cancer cell lines and correlated with sensitivity to 265 drugs. We find that cell lines faithfully recapitulate oncogenic alterations identified in tumors, find that many of these associate with drug sensitivity/resistance, and highlight the importance of tissue lineage in mediating drug response. Logic-based modeling uncovers combinations of alterations that sensitize to drugs, while machine learning demonstrates the relative importance of different data types in predicting drug response. Our analysis and datasets are rich resources to link genotypes with cellular phenotypes and to identify therapeutic options for selected cancer sub-populations.

Here, a covalent inhibitor targeting cyclin-dependent kinase 7 (CDK7) demonstrates in vitro and in vivo efficacy against T-cell acute lymphoblastic leukaemia by downregulating oncogenic transcriptional programs. Pharmacological blockade of transcription is a possible means of targeting cancer cells. Direct pharmacological inhibition of transcription factors has proved problematic, so cyclin-dependent kinase (CDK) family members such as CDK7, which regulate transcription by phosphorylating the carboxy-terminal domain of RNA polymerase II, could provide more druggable targets. Here Nathanael Gray and colleagues use a cell-based screen to identify a novel transcriptional inhibitor, THZ1, that covalently targets CDK7 and has anti-proliferative activity in human T-cell acute lymphoblastic leukaemia cell lines and in a xenograft mouse model. THZ1 is a phenylaminopyrimidine that uses a mechanism combining ATP-site and allosteric covalent binding as a means of attaining potency and selectivity for CDK7. Tumour oncogenes include transcription factors that co-opt the general transcriptional machinery to sustain the oncogenic state1, but direct pharmacological inhibition of transcription factors has so far proven difficult2. However, the transcriptional machinery contains various enzymatic cofactors that can be targeted for the development of new therapeutic candidates3, including cyclin-dependent kinases (CDKs)4. Here we present the discovery and characterization of a covalent CDK7 inhibitor, THZ1, which has the unprecedented ability to target a remote cysteine residue located outside of the canonical kinase domain, providing an unanticipated means of achieving selectivity for CDK7. Cancer cell-line profiling indicates that a subset of cancer cell lines, including human T-cell acute lymphoblastic leukaemia (T-ALL), have exceptional sensitivity to THZ1. Genome-wide analysis in Jurkat T-ALL cells shows that THZ1 disproportionally affects transcription of RUNX1 and suggests that sensitivity to THZ1 may be due to vulnerability conferred by the RUNX1 super-enhancer and the key role of RUNX1 in the core transcriptional regulatory circuitry of these tumour cells. Pharmacological modulation of CDK7 kinase activity may thus provide an approach to identify and treat tumour types that are dependent on transcription for maintenance of the oncogenic state.

The MYC oncoproteins are thought to stimulate tumor cell growth and proliferation through amplification of gene transcription, a mechanism that has thwarted most efforts to inhibit MYC function as potential cancer therapy. Using a covalent inhibitor of cyclin-dependent kinase 7 (CDK7) to disrupt the transcription of amplified MYCN in neuroblastoma cells, we demonstrate downregulation of the oncoprotein with consequent massive suppression of MYCN-driven global transcriptional amplification. This response translated to significant tumor regression in a mouse model of high-risk neuroblastoma, without the introduction of systemic toxicity. The striking treatment selectivity of MYCN-overexpressing cells correlated with preferential downregulation of super-enhancer-associated genes, including MYCN and other known oncogenic drivers in neuroblastoma. These results indicate that CDK7 inhibition, by selectively targeting the mechanisms that promote global transcriptional amplification in tumor cells, may be useful therapy for cancers that are driven by MYC family oncoproteins.

Heterobifunctional small-molecule degraders that induce protein degradation through ligase-mediated ubiquitination have shown considerable promise as a new pharmacological modality. However, we currently lack a detailed understanding of the molecular basis for target recruitment and selectivity, which is critically required to enable rational design of degraders. Here we utilize a comprehensive characterization of the ligand-dependent CRBN–BRD4 interaction to demonstrate that binding between proteins that have not evolved to interact is plastic. Multiple X-ray crystal structures show that plasticity results in several distinct low-energy binding conformations that are selectively bound by ligands. We demonstrate that computational protein–protein docking can reveal the underlying interprotein contacts and inform the design of a BRD4 selective degrader that can discriminate between highly homologous BET bromodomains. Our findings that plastic interprotein contacts confer selectivity for ligand-induced protein dimerization provide a conceptual framework for the development of heterobifunctional ligands. Selectivity of ligand-induced protein degradation and dimerization is conferred by plastic interprotein contacts. Computational protein–protein docking reveals the underlying interprotein contacts to inform the design of a BRD4 selective degrader.

A selective small-molecule degrader of CDK9 was generated by conjugating an imide to SNS-032, a promiscuous ATP-site-directed CDK binder. The pharmacological consequences of CDK9 degradation versus inhibition were compared. Cyclin-dependent kinase 9 (CDK9), an important regulator of transcriptional elongation, is a promising target for cancer therapy, particularly for cancers driven by transcriptional dysregulation. We characterized NVP-2, a selective ATP-competitive CDK9 inhibitor, and THAL-SNS-032, a selective CDK9 degrader consisting of a CDK-binding SNS-032 ligand linked to a thalidomide derivative that binds the E3 ubiquitin ligase Cereblon (CRBN). To our surprise, THAL-SNS-032 induced rapid degradation of CDK9 without affecting the levels of other SNS-032 targets. Moreover, the transcriptional changes elicited by THAL-SNS-032 were more like those caused by NVP-2 than those induced by SNS-032. Notably, compound washout did not significantly reduce levels of THAL-SNS-032-induced apoptosis, suggesting that CDK9 degradation had prolonged cytotoxic effects compared with CDK9 inhibition. Thus, our findings suggest that thalidomide conjugation represents a promising strategy for converting multi-targeted inhibitors into selective degraders and reveal that kinase degradation can induce distinct pharmacological effects compared with inhibition.

Small cell lung cancer (SCLC) is an aggressive disease with high mortality, and the identification of effective pharmacological strategies to target SCLC biology represents an urgent need. Using a high-throughput cellular screen of a diverse chemical library, we observe that SCLC is sensitive to transcription-targeting drugs, in particular to THZ1, a recently identified covalent inhibitor of cyclin-dependent kinase 7. We find that expression of super-enhancer-associated transcription factor genes, including MYC family proto-oncogenes and neuroendocrine lineage-specific factors, is highly vulnerability to THZ1 treatment. We propose that downregulation of these transcription factors contributes, in part, to SCLC sensitivity to transcriptional inhibitors and that THZ1 represents a prototype drug for tailored SCLC therapy.

Triple-negative breast cancer (TNBC) is a highly aggressive form of breast cancer that exhibits extremely high levels of genetic complexity and yet a relatively uniform transcriptional program. We postulate that TNBC might be highly dependent on uninterrupted transcription of a key set of genes within this gene expression program and might therefore be exceptionally sensitive to inhibitors of transcription. Utilizing kinase inhibitors and CRISPR/Cas9-mediated gene editing, we show here that triple-negative but not hormone receptor-positive breast cancer cells are exceptionally dependent on CDK7, a transcriptional cyclin-dependent kinase. TNBC cells are unique in their dependence on this transcriptional CDK and suffer apoptotic cell death upon CDK7 inhibition. An "Achilles cluster" of TNBC-specific genes is especially sensitive to CDK7 inhibition and frequently associated with super-enhancers. We conclude that CDK7 mediates transcriptional addiction to a vital cluster of genes in TNBC and CDK7 inhibition may be a useful therapy for this challenging cancer.

Drug partitioning in nuclear condensates There is increasing interest in the function of phase-separated biomolecular condensates in cells because of their distinct properties and expanding roles in important biological processes. Klein et al. considered the fate of small-molecule therapeutics in the context of nuclear condensates (see the Perspective by Viny and Levine). They show that certain antineoplastic drugs have physicochemical properties that cause them to concentrate preferentially in condensates, both in vitro and in cancer cells. This property influences drug activity, and protein mutations that alter condensate formation can lead to drug resistance. Optimizing condensate partitioning may be valuable in developing improved therapeutics. Science , this issue p. 1386 ; see also p. 1314

Summary

 Eradicating tumor dormancy that develops following epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitor (TKI) treatment of EGFR-mutant non-small cell lung cancer, is an attractive therapeutic strategy but the mechanisms governing this process are poorly understood. Blockade of ERK1/2 reactivation following EGFR TKI treatment by combined EGFR/MEK inhibition uncovers cells that survive by entering a senescence-like dormant state characterized by high YAP/TEAD activity. YAP/TEAD engage the epithelial-to-mesenchymal transition transcription factor SLUG to directly repress pro-apoptotic BMF, limiting drug-induced apoptosis. Pharmacological co-inhibition of YAP and TEAD, or genetic deletion of YAP1, all deplete dormant cells by enhancing EGFR/MEK inhibition-induced apoptosis. Enhancing the initial efficacy of targeted therapies could ultimately lead to prolonged treatment responses in cancer patients.