Tumor genome sequencing reveals the molecular basis of a patient’s unexpected and dramatic response to a cancer drug.

Somatic mutations of ERBB2 and ERBB3 (which encode HER2 and HER3, respectively) are found in a wide range of cancers. Preclinical modelling suggests that a subset of these mutations lead to constitutive HER2 activation, but most remain biologically uncharacterized. Here we define the biological and therapeutic importance of known oncogenic HER2 and HER3 mutations and variants of unknown biological importance by conducting a multi-histology, genomically selected, ‘basket’ trial using the pan-HER kinase inhibitor neratinib (SUMMIT; clinicaltrials.gov identifier NCT01953926). Efficacy in HER2-mutant cancers varied as a function of both tumour type and mutant allele to a degree not predicted by preclinical models, with the greatest activity seen in breast, cervical and biliary cancers and with tumours that contain kinase domain missense mutations. This study demonstrates how a molecularly driven clinical trial can be used to refine our biological understanding of both characterized and new genomic alterations with potential broad applicability for advancing the paradigm of genome-driven oncology. In a basket trial design, the efficacy of the pan-HER kinase inhibitor neratinib is tested in patients with 21 different tumour types, and responses are determined by mutation and tissue type, and are restricted to HER2-mutant cancers. Mutations in, or overexpression of, HER2 and HER3 (members of the epidermal growth factor receptor (EGFR) family) are found in numerous cancer types. Here, the authors conduct a basket trial—a clinical trial whereby patients are given a targeted therapy based on the presence of a molecular marker rather than on their tumour type—to test the efficacy of neratinib, an irreversible inhibitor of all HER kinases. Neratinib was given to 141 patients with one of 21 different tumour types containing mutations in HER2 and HER3, including breast, lung, bladder and colorectal cancer. The results show that responses are determined by mutation and tissue type, and are restricted to HER2-mutant cancers. Clinical benefit is also conditioned by alterations in downstream signalling pathways. The results highlight the potential of basket trials in molecularly driven oncology.

Abstract Tumor genetic testing is standard of care for patients with advanced lung adenocarcinoma, but the fraction of patients who derive clinical benefit remains undefined. Here, we report the experience of 860 patients with metastatic lung adenocarcinoma analyzed prospectively for mutations in >300 cancer-associated genes. Potentially actionable genetic events were stratified into one of four levels based upon published clinical or laboratory evidence that the mutation in question confers increased sensitivity to standard or investigational therapies. Overall, 37.1% (319/860) of patients received a matched therapy guided by their tumor molecular profile. Excluding alterations associated with standard-of-care therapy, 14.4% (69/478) received matched therapy, with a clinical benefit of 52%. Use of matched therapy was strongly influenced by the level of preexistent clinical evidence that the mutation identified predicts for drug response. Analysis of genes mutated significantly more often in tumors without known actionable mutations nominated STK11 and KEAP1 as possible targetable mitogenic drivers. Significance: An increasing number of therapies that target molecular alterations required for tumor maintenance and progression have demonstrated clinical activity in patients with lung adenocarcinoma. The data reported here suggest that broader, early testing for molecular alterations that have not yet been recognized as standard-of-care predictive biomarkers of drug response could accelerate the development of targeted agents for rare mutational events and could result in improved clinical outcomes. Cancer Discov; 7(6); 596–609. ©2017 AACR. See related commentary by Liu et al., p. 555. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 539

Germline mutations in PARK2 are a well-known cause of the neurodegenerative disorder Parkinson's disease. Here, Timothy Chan and colleagues report somatic mutations and intragenic deletions of PARK2 in glioblastoma, colon cancer and lung cancer. Mutation of the gene PARK2, which encodes an E3 ubiquitin ligase, is the most common cause of early-onset Parkinson's disease1,2,3. In a search for multisite tumor suppressors, we identified PARK2 as a frequently targeted gene on chromosome 6q25.2–q27 in cancer. Here we describe inactivating somatic mutations and frequent intragenic deletions of PARK2 in human malignancies. The PARK2 mutations in cancer occur in the same domains, and sometimes at the same residues, as the germline mutations causing familial Parkinson's disease. Cancer-specific mutations abrogate the growth-suppressive effects of the PARK2 protein. PARK2 mutations in cancer decrease PARK2's E3 ligase activity, compromising its ability to ubiquitinate cyclin E and resulting in mitotic instability. These data strongly point to PARK2 as a tumor suppressor on 6q25.2–q27. Thus, PARK2, a gene that causes neuronal dysfunction when mutated in the germline, may instead contribute to oncogenesis when altered in non-neuronal somatic cells.

Purpose We sought to define the prevalence and co-occurrence of actionable genomic alterations in patients with high-grade bladder cancer to serve as a platform for therapeutic drug discovery. Patients and Methods An integrative analysis of 97 high-grade bladder tumors was conducted to identify actionable drug targets, which are defined as genomic alterations that have been clinically validated in another cancer type (eg, BRAF mutation) or alterations for which a selective inhibitor of the target or pathway is under clinical investigation. DNA copy number alterations (CNAs) were defined by using array comparative genomic hybridization. Mutation profiling was performed by using both mass spectroscopy-based genotyping and Sanger sequencing. Results Sixty-one percent of tumors harbored potentially actionable genomic alterations. A core pathway analysis of the integrated data set revealed a nonoverlapping pattern of mutations in the RTK-RAS-RAF and phosphoinositide 3-kinase/AKT/mammalian target of rapamycin pathways and regulators of G 1 -S cell cycle progression. Unsupervised clustering of CNAs defined two distinct classes of bladder tumors that differed in the degree of their CNA burden. Integration of mutation and copy number analyses revealed that mutations in TP53 and RB1 were significantly more common in tumors with a high CNA burden (P < .001 and P < .003, respectively). Conclusion High-grade bladder cancer possesses substantial genomic heterogeneity. The majority of tumors harbor potentially tractable genomic alterations that may predict for response to target-selective agents. Given the genomic diversity of bladder cancers, optimal development of target-specific agents will require pretreatment genomic characterization.

Melanoma is a disease characterized by lesions that activate ERK. Although 70% of cutaneous melanomas harbor activating mutations in the BRAF and NRAS genes, the alterations that drive tumor progression in the remaining 30% are largely undefined. Vemurafenib, a selective inhibitor of RAF kinases, has clinical utility restricted to BRAF-mutant tumors. MEK inhibitors, which have shown clinical activity in NRAS-mutant melanoma, may be effective in other ERK pathway-dependent settings. Here, we investigated a panel of melanoma cell lines wild type for BRAF and NRAS to determine the genetic alteration driving their transformation and their dependence on ERK signaling in order to elucidate a candidate set for MEK inhibitor treatment. A cohort of the BRAF/RAS wild type cell lines with high levels of RAS-GTP had loss of NF1, a RAS GTPase activating protein. In these cell lines, the MEK inhibitor PD0325901 inhibited ERK phosphorylation, but also relieved feedback inhibition of RAS, resulting in induction of pMEK and a rapid rebound in ERK signaling. In contrast, the MEK inhibitor trametinib impaired the adaptive response of cells to ERK inhibition, leading to sustained suppression of ERK signaling and significant antitumor effects. Notably, alterations in NF1 frequently co-occurred with RAS and BRAF alterations in melanoma. In the setting of BRAF(V600E), NF1 loss abrogated negative feedback on RAS activation, resulting in elevated activation of RAS-GTP and resistance to RAF, but not MEK, inhibitors. We conclude that loss of NF1 is common in cutaneous melanoma and is associated with RAS activation, MEK-dependence, and resistance to RAF inhibition.