Small-molecule inhibitors of the CDK4/6 cell-cycle kinases have shown clinical efficacy in estrogen receptor (ER)-positive metastatic breast cancer, although their cytostatic effects are limited by primary and acquired resistance. Here we report that ER-positive breast cancer cells can adapt quickly to CDK4/6 inhibition and evade cytostasis, in part, via noncanonical cyclin D1-CDK2-mediated S-phase entry. This adaptation was prevented by cotreatment with hormone therapies or PI3K inhibitors, which reduced the levels of cyclin D1 (CCND1) and other G1-S cyclins, abolished pRb phosphorylation, and inhibited activation of S-phase transcriptional programs. Combined targeting of both CDK4/6 and PI3K triggered cancer cell apoptosis in vitro and in patient-derived tumor xenograft (PDX) models, resulting in tumor regression and improved disease control. Furthermore, a triple combination of endocrine therapy, CDK4/6, and PI3K inhibition was more effective than paired combinations, provoking rapid tumor regressions in a PDX model. Mechanistic investigations showed that acquired resistance to CDK4/6 inhibition resulted from bypass of cyclin D1-CDK4/6 dependency through selection of CCNE1 amplification or RB1 loss. Notably, although PI3K inhibitors could prevent resistance to CDK4/6 inhibitors, they failed to resensitize cells once resistance had been acquired. However, we found that cells acquiring resistance to CDK4/6 inhibitors due to CCNE1 amplification could be resensitized by targeting CDK2. Overall, our results illustrate convergent mechanisms of early adaptation and acquired resistance to CDK4/6 inhibitors that enable alternate means of S-phase entry, highlighting strategies to prevent the acquisition of therapeutic resistance to these agents. Cancer Res; 76(8); 2301-13. ©2016 AACR.

FGFR1 and FGFR2 are amplified in many tumor types, yet what determines response to FGFR inhibition in amplified cancers is unknown. In a translational clinical trial, we show that gastric cancers with high-level clonal FGFR2 amplification have a high response rate to the selective FGFR inhibitor AZD4547, whereas cancers with subclonal or low-level amplification did not respond. Using cell lines and patient-derived xenograft models, we show that high-level FGFR2 amplification initiates a distinct oncogene addiction phenotype, characterized by FGFR2-mediated transactivation of alternative receptor kinases, bringing PI3K/mTOR signaling under FGFR control. Signaling in low-level FGFR1-amplified cancers is more restricted to MAPK signaling, limiting sensitivity to FGFR inhibition. Finally, we show that circulating tumor DNA screening can identify high-level clonally amplified cancers. Our data provide a mechanistic understanding of the distinct pattern of oncogene addiction seen in highly amplified cancers and demonstrate the importance of clonality in predicting response to targeted therapy.

Abstract Purpose: Triple-negative breast cancer (TNBC) is a heterogeneous subgroup of breast cancer that is associated with a poor prognosis. We evaluated the activity of CDK4/6 inhibitors across the TNBC subtypes and investigated mechanisms of sensitivity. Experimental Design: A panel of cell lines representative of TNBC was tested for in vitro and in vivo sensitivity to CDK4/6 inhibition. A fluorescent CDK2 activity reporter was used for single-cell analysis in conjunction with time-lapse imaging. Results: The luminal androgen receptor (LAR) subtype of TNBC was highly sensitive to CDK4/6 inhibition both in vitro (P < 0.001 LAR vs. basal-like) and in vivo in MDA-MB-453 LAR cell line xenografts. Single-cell analysis of CDK2 activity demonstrated differences in cell-cycle dynamics between LAR and basal-like cells. Palbociclib-sensitive LAR cells exit mitosis with low levels of CDK2 activity, into a quiescent state that requires CDK4/6 activity for cell-cycle reentry. Palbociclib-resistant basal-like cells exit mitosis directly into a proliferative state, with high levels of CDK2 activity, bypassing the restriction point and the requirement for CDK4/6 activity. High CDK2 activity after mitosis is driven by temporal deregulation of cyclin E1 expression. CDK4/6 inhibitors were synergistic with PI3 kinase inhibitors in PIK3CA-mutant TNBC cell lines, extending CDK4/6 inhibitor sensitivity to additional TNBC subtypes. Conclusions: Cell-cycle dynamics determine the response to CDK4/6 inhibition in TNBC. CDK4/6 inhibitors, alone and in combination, are a novel therapeutic strategy for specific subgroups of TNBC. Clin Cancer Res; 23(18); 5561–72. ©2017 AACR.