Prostate cancers are considered to be immunologically 'cold' tumors given the very few patients who respond to checkpoint inhibitor (CPI) therapy. Recently, enrichment of interferon-stimulated genes (ISGs) predicted a favorable response to CPI across various disease sites. The enhancer of zeste homolog-2 (EZH2) is overexpressed in prostate cancer and known to negatively regulate ISGs. In the present study, we demonstrate that EZH2 inhibition in prostate cancer models activates a double-stranded RNA-STING-ISG stress response upregulating genes involved in antigen presentation, Th1 chemokine signaling and interferon response, including programmed cell death protein 1 (PD-L1) that is dependent on STING activation. EZH2 inhibition substantially increased intratumoral trafficking of activated CD8+ T cells and increased M1 tumor-associated macrophages, overall reversing resistance to PD-1 CPI. Our study identifies EZH2 as a potent inhibitor of antitumor immunity and responsiveness to CPI. These data suggest EZH2 inhibition as a therapeutic direction to enhance prostate cancer response to PD-1 CPI.

Abstract Neuroendocrine carcinomas (NEC) are tumors expressing markers of neuronal differentiation that can arise at different anatomic sites but have strong histological and clinical similarities. Here we report the chromatin landscapes of a range of human NECs and show convergence to the activation of a common epigenetic program. With a particular focus on treatment emergent neuroendocrine prostate cancer (NEPC), we analyzed cell lines, patient-derived xenograft (PDX) models and human clinical samples to show the existence of two distinct NEPC subtypes based on the expression of the neuronal transcription factors ASCL1 and NEUROD1. While in cell lines and PDX models these subtypes are mutually exclusive, single cell analysis of human clinical samples exhibit a more complex tumor structure with subtypes coexisting as separate sub-populations within the same tumor. These tumor sub-populations differ genetically and epigenetically contributing to intra- and inter-tumoral heterogeneity in human metastases. Overall our results provide a deeper understanding of the shared clinicopathological characteristics shown by NECs. Furthermore, the intratumoral heterogeneity of human NEPCs suggests the requirement of simultaneous targeting of coexisting tumor populations as a therapeutic strategy.

Small cell lung cancers (SCLCs) are composed of heterogeneous subtypes marked by lineage-specific transcription factors, including ASCL1, NEUROD1, and POU2F3. POU2F3-positive SCLCs, ∼12% of all cases, are uniquely dependent on POU2F3 itself; as such, approaches to attenuate POU2F3 expression may represent new therapeutic opportunities. Here using genome-scale screens for regulators of POU2F3 expression and SCLC proliferation, we define mSWI/SNF complexes as top dependencies specific to POU2F3-positive SCLC. Notably, chemical disruption of mSWI/SNF ATPase activity attenuates proliferation of all POU2F3-positive SCLCs, while disruption of non-canonical BAF (ncBAF) via BRD9 degradation is effective in pure non-neuroendocrine POU2F3-SCLCs. mSWI/SNF targets to and maintains accessibility over gene loci central to POU2F3-mediated gene regulatory networks. Finally, clinical-grade pharmacologic disruption of SMARCA4/2 ATPases and BRD9 decreases POU2F3-SCLC tumor growth and increases survival in vivo. These results demonstrate mSWI/SNF-mediated governance of the POU2F3 oncogenic program and suggest mSWI/SNF inhibition as a therapeutic strategy for POU2F3-positive SCLCs.

ABSTRACT c-MYC (MYC) is a major driver of prostate cancer tumorigenesis and progression. Although MYC is overexpressed in both early and metastatic disease and associated with poor survival, its impact on prostate transcriptional reprogramming remains elusive. We demonstrate that MYC overexpression significantly diminishes the androgen receptor (AR) transcriptional program (the set of genes directly targeted by the AR protein) in luminal prostate cells without altering AR expression. Importantly, analyses of clinical specimens revealed that concurrent low AR and high MYC transcriptional programs accelerate prostate cancer progression toward a metastatic, castration-resistant disease. Data integration of single-cell transcriptomics together with ChIP-seq revealed an increased RNA polymerase II (Pol II) promoter-proximal pausing at AR-dependent genes following MYC overexpression without an accompanying deactivation of AR-bound enhancers. Altogether, our findings suggest that MYC overexpression antagonizes the canonical AR transcriptional program and contributes to prostate tumor initiation and progression by disrupting transcriptional pause release at AR-regulated genes. STATEMENT OF SIGNIFICANCE AR and MYC are key to prostate cancer etiology but our current understanding of their interplay is scarce. Here we show that the oncogenic transcription factor MYC can pause the transcriptional program of the master transcription factor in prostate cancer, AR, while turning on its own, even more lethal program.

Abstract Lineage plasticity, the ability of a cell to alter its identity, is an increasingly common mechanism of adaptive resistance to targeted therapy in cancer 1,2 . An archetypal example is the development of neuroendocrine prostate cancer (NEPC) after treatment of prostate adenocarcinoma (PRAD) with inhibitors of androgen signaling. NEPC is an aggressive variant of prostate cancer that aberrantly expresses genes characteristic of neuroendocrine (NE) tissues and no longer depends on androgens. To investigate the epigenomic basis of this resistance mechanism, we profiled histone modifications in NEPC and PRAD patient-derived xenografts (PDXs) using chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq). We identified a vast network of cis -regulatory elements (N~15,000) that are recurrently activated in NEPC. The FOXA1 transcription factor (TF), which pioneers androgen receptor (AR) chromatin binding in the prostate epithelium 3,4 , is reprogrammed to NE-specific regulatory elements in NEPC. Despite loss of dependence upon AR, NEPC maintains FOXA1 expression and requires FOXA1 for proliferation and expression of NE lineage-defining genes. Ectopic expression of the NE lineage TFs ASCL1 and NKX2-1 in PRAD cells reprograms FOXA1 to bind to NE regulatory elements and induces enhancer activity as evidenced by histone modifications at these sites. Our data establish the importance of FOXA1 in NEPC and provide a principled approach to identifying novel cancer dependencies through epigenomic profiling.

Small cell lung cancers (SCLC) are comprised of heterogeneous subtypes marked by lineage-specific transcription factors, including ASCL1, NEUROD1, and POU2F3. POU2F3-positive SCLC, ∼12% of all cases, are uniquely dependent on POU2F3 itself; as such, approaches to attenuate POU2F3 expression may represent new therapeutic opportunities. Here using genome-scale screens for regulators of POU2F3 expression and SCLC proliferation, we define mSWI/SNF complexes, including non-canonical BAF (ncBAF) complexes, as top dependencies specific to POU2F3-positive SCLC. Notably, clinical-grade pharmacologic mSWI/SNF inhibition attenuates proliferation of all POU2F3-positive SCLCs, while disruption of ncBAF via BRD9 degradation is uniquely effective in pure non-neuroendocrine POU2F3-SCLCs. mSWI/SNF maintains accessibility over gene loci central to POU2F3-mediated gene regulatory networks. Finally, chemical targeting of SMARCA4/2 mSWI/SNF ATPases and BRD9 decrease POU2F3-SCLC tumor growth and increase survival in vivo . Taken together, these results characterize mSWI/SNF-mediated global governance of the POU2F3 oncogenic program and suggest mSWI/SNF inhibition as a therapeutic strategy for SCLC.

Abstract Most invasive lobular breast cancers (ILC) are of the luminal A subtype and strongly hormone receptor positive. Yet, they are relatively resistant to tamoxifen and are associated with inferior long-term outcomes compared to invasive ductal cancers (IDC). In this study, we sought to gain mechanistic insights into these clinical findings that are not explained by the genetic landscape of ILC and to identify strategies to improve patient outcomes. Through a comprehensive analysis of the epigenome of ILC in pre-clinical models and clinical samples we found that compared to IDC, ILC has a distinct chromatin state that is linked to gained recruitment of FOXA1, a lineage-defining pioneer transcription factor. This results in an ILC-unique FOXA1-estrogen receptor (ER) axis that promotes the transcription of genes associated with tumor progression and poor outcomes. The ILC-unique FOXA1-ER axis leads to retained ER chromatin binding after tamoxifen treatment thereby facilitating tamoxifen resistance while remaining strongly dependent on ER signaling. Mechanistically, gained FOXA1 binding was associated with the auto-induction of FOXA1 in ILC through an ILC-unique FOXA1 binding site. Targeted silencing of this regulatory site resulted in the disruption of the feed-forward loop and growth inhibition in ILC. In summary, we show that ILC is characterized by a unique cell state and FOXA1-ER axis that dictate tumor progression and offer a novel mechanism of tamoxifen resistance. These results underscore the importance of conducting clinical trials dedicated to patients with ILC to optimize endocrine treatments in this breast cancer subtype.

Abstract ChIP-seq and ATAC-seq have become essential technologies used as effective methods of measuring protein-DNA interactions and chromatin accessibility. However, there is a need for a scalable and reproducible pipeline that incorporates correct normalization between samples, adjustment of copy number variations, and integration of new downstream analysis tools. Here we present CoBRA, a modularized computational workflow which quantifies ChIP and ATAC-seq peak regions and performs unsupervised and supervised analysis. CoBRA provides a comprehensive state-of-the-art ChIP and ATAC-seq analysis pipeline that is usable by scientists with limited computational experience. This enables researchers to gain rapid insight into protein-DNA interactions and chromatin accessibility through sample clustering, differential peak calling, motif enrichment, comparison of sites to a reference DB and pathway analysis. Code availability: https://bitbucket.org/cfce/cobra

Abstract Motivation The chromatin profile measured by ATAC-seq, ChIP-seq, or DNase-seq experiments can identify genomic regions critical in regulating gene expression and provide insights on biological processes such as diseases and development. However, quality control and processing chromatin profiling data involve many steps, and different bioinformatics tools are used at each step. It can be challenging to manage the analysis. Results We developed a Snakemake pipeline called CHIPS ( CH romatin enr i chment P roce s sor) to streamline the processing of ChIP-seq, ATAC-seq, and DNase-seq data. The pipeline supports single- and paired-end data and is flexible to start with FASTQ or BAM files. It includes basic steps such as read trimming, mapping, and peak calling. In addition, it calculates quality control metrics such as contamination profiles, PCR bottleneck coefficient, the fraction of reads in peaks, percentage of peaks overlapping with the union of public DNaseI hypersensitivity sites, and conservation profile of the peaks. For downstream analysis, it carries out peak annotations, motif finding, and regulatory potential calculation for all genes. The pipeline ensures that the processing is robust and reproducible. Availability CHIPS is available at https://github.com/liulab-dfci/CHIPS

Androgen receptor (AR) splice variants, of which ARv7 is the most common, are increased in prostate cancer (PC) that develops resistance to androgen signaling inhibitor drugs, but the extent to which these variants drive AR activity, and whether they have novel functions or dependencies, remain to be determined. We generated a subline of VCaP PC cells (VCaP16) that is resistant to the AR inhibitor enzalutamide (ENZ) and found that AR activity was independent of the full-length AR (ARfl), despite its continued high-level expression, and was instead driven by ARv7. The ARv7 cistrome and transcriptome in VCaP16 cells mirrored that of the ARfl in VCaP cells, although ARv7 chromatin binding was weaker, and strong ARv7 binding sites correlated with higher affinity ARfl binding sites across multiple models and clinical samples. Notably, although ARv7 expression in VCaP cells increased rapidly in response to ENZ, there was a long lag before it gained chromatin binding and transcriptional activity. This lag was associated with an increase in chromatin accessibility, with the AR and nuclear factor I (NFI) motifs being most enriched at these more accessible sites. Moreover, the transcriptional effects of combined NFIB and NFIX knockdown versus ARv7 knockdown were highly correlated. These findings indicate that ARv7 can drive the AR program, but that its activity is dependent on adaptations that increase chromatin accessibility to enhance its intrinsically weak chromatin binding.