Srinivasan Yegnasubramanian and colleagues show that androgen signaling promotes recruitment of androgen receptor and TOP2B to sites of TMPRSS2-ERG genomic breakpoints, triggering TOP2B-mediated double-strand breaks. These findings provide insights into the mechanism underlying this common prostate cancer gene fusion event. DNA double-strand breaks (DSBs) can lead to the development of genomic rearrangements, which are hallmarks of cancer. Fusions between TMPRSS2, encoding the transmembrane serine protease isoform 2, and ERG, encoding the v-ets erythroblastosis virus E26 oncogene homolog, are among the most common oncogenic rearrangements observed in human cancer. We show that androgen signaling promotes co-recruitment of androgen receptor and topoisomerase II beta (TOP2B) to sites of TMPRSS2-ERG genomic breakpoints, triggering recombinogenic TOP2B-mediated DSBs. Furthermore, androgen stimulation resulted in de novo production of TMPRSS2-ERG fusion transcripts in a process that required TOP2B and components of the DSB repair machinery. Finally, unlike normal prostate epithelium, prostatic intraepithelial neoplasia cells showed strong coexpression of androgen receptor and TOP2B. These findings implicate androgen-induced TOP2B-mediated DSBs in generating TMPRSS2-ERG rearrangements.

Abstract Continued androgen receptor (AR) signaling is an established mechanism underlying castration-resistant prostate cancer (CRPC), and suppression of androgen receptor signaling remains a therapeutic goal of CRPC therapy. Constitutively active androgen receptor splice variants (AR-Vs) lack the androgen receptor ligand-binding domain (AR-LBD), the intended target of androgen deprivation therapies including CRPC therapies such as abiraterone and MDV3100. While the canonical full-length androgen receptor (AR-FL) and AR-Vs are both increased in CRPCs, their expression regulation, associated transcriptional programs, and functional relationships have not been dissected. In this study, we show that suppression of ligand-mediated AR-FL signaling by targeting AR-LBD leads to increased AR-V expression in two cell line models of CRPCs. Importantly, treatment-induced AR-Vs activated a distinct expression signature enriched for cell-cycle genes without requiring the presence of AR-FL. Conversely, activation of AR-FL signaling suppressed the AR-Vs signature and activated expression programs mainly associated with macromolecular synthesis, metabolism, and differentiation. In prostate cancer cells and CRPC xenografts treated with MDV3100 or abiraterone, increased expression of two constitutively active AR-Vs, AR-V7 and ARV567ES, but not AR-FL, paralleled increased expression of the androgen receptor–driven cell-cycle gene UBE2C. Expression of AR-V7, but not AR-FL, was positively correlated with UBE2C in clinical CRPC specimens. Together, our findings support an adaptive shift toward AR-V–mediated signaling in a subset of CRPC tumors as the AR-LBD is rendered inactive, suggesting an important mechanism contributing to drug resistance to CRPC therapy. Cancer Res; 72(14); 3457–62. ©2012 AACR.

Aberrant DNA methylation patterns may be the earliest somatic genome changes in prostate cancer. Using real-time methylation-specific PCR, we assessed the extent of hypermethylation at 16 CpG islands in DNA from seven prostate cancer cell lines (LNCaP, PC-3, DU-145, LAPC-4, CWR22Rv1, VCaP, and C42B), normal prostate epithelial cells, normal prostate stromal cells, 73 primary prostate cancers, 91 metastatic prostate cancers, and 25 noncancerous prostate tissues. We found that CpG islands at GSTP1, APC, RASSF1a, PTGS2, and MDR1 were hypermethylated in >85% of prostate cancers and cancer cell lines but not in normal prostate cells and tissues; CpG islands at EDNRB, ESR1, CDKN2a, and hMLH1 exhibited low to moderate rates of hypermethylation in prostate cancer tissues and cancer cell lines but were entirely unmethylated in normal tissues; and CpG islands at DAPK1, TIMP3, MGMT, CDKN2b, p14/ARF, and CDH1 were not abnormally hypermethylated in prostate cancers. Receiver operator characteristic curve analyses suggested that CpG island hypermethylation changes at GSTP1, APC, RASSF1a, PTGS2, and MDR1 in various combinations can distinguish primary prostate cancer from benign prostate tissues with sensitivities of 97.3-100% and specificities of 92-100%. Hypermethylation of the CpG island at EDNRB was correlated with the grade and stage of the primary prostate cancers. PTGS2 CpG island hypermethylation portended an increased risk of recurrence. Furthermore, CpG island hypermethylation patterns in prostate cancer metastases were very similar to the primary prostate cancers and tended to show greater differences between cases than between anatomical sites of metastasis.

Recent controversies surrounding prostate cancer overtreatment emphasize the critical need to delineate the molecular features associated with progression to lethal metastatic disease. Here, we have used whole-genome sequencing and molecular pathological analyses to characterize the lethal cell clone in a patient who died of prostate cancer. We tracked the evolution of the lethal cell clone from the primary cancer to metastases through samples collected during disease progression and at the time of death. Surprisingly, these analyses revealed that the lethal clone arose from a small, relatively low-grade cancer focus in the primary tumor, and not from the bulk, higher-grade primary cancer or from a lymph node metastasis resected at prostatectomy. Despite being limited to one case, these findings highlight the potential importance of developing and implementing molecular prognostic and predictive markers, such as alterations of tumor suppressor proteins PTEN or p53, to augment current pathological evaluation and delineate clonal heterogeneity. Furthermore, this case illustrates the potential need in precision medicine to longitudinally sample metastatic lesions to capture the evolving constellation of alterations during progression. Similar comprehensive studies of additional prostate cancer cases are warranted to understand the extent to which these issues may challenge prostate cancer clinical management.

Androgen receptor (AR)-mediated oncogenic pathways have not been fully elucidated. In this study, we used high-throughput microarray analysis on two AR-positive prostate cancer (CaP) cell lines to identify 16 AR-responsive microRNAs (miRNA). We focused on miR-21 because of its previously reported oncogenic activity in other cancers. We show androgen-induced AR binding to the defined miR-21 promoter, miPPR-21, suggesting direct transcriptional regulation. Inhibition of miR-21 diminished androgen-induced CaP cell proliferation, providing new evidence that miRNAs can contribute to androgen-driven cell growth. Elevated expression of miR-21 enhanced CaP tumor growth in vivo and, surprisingly, was sufficient for androgen-dependent tumors to overcome castration-mediated growth arrest. Thus, elevated miR-21 expression alone is sufficient to impart castration resistance. Moreover, quantitative reverse transcription-PCR analysis revealed elevated miR-21 expression in CaP when compared with adjacent normal tissue. These results suggest that miR-21 may contribute to CaP pathogenesis.

Michael C. Haffner 1 , Alcides Chaux 2 , Alan K. Meeker 1,2,3 , David M. Esopi 1 , Jonathan Gerber 4 , Laxmi G. Pellakuru 2 , Antoun Toubaji 2 , Pedram Argani 1,2 , Christine Iacobuzio-Donahue 1,2 , William G. Nelson 1,2,3 , George J. Netto 1,2,3 , Angelo M. De Marzo 1,2,3 , Srinivasan Yegnasubramanian 1 1 Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, USA 2 Department of Pathology, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, USA 3 Brady Urological Institute, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, USA 4 Department of Medicine, Division of Hematology, School of Medicine, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, USA Received: September 1, 2011; Accepted: September 1, 2011; Published: September 2, 2011; Keywords: 5-hydroxymethylcytosine, 5hmC, DNA methylation, differentiation, cancer, tissue stem / progenitor cells Correspondence: Srinvasan Yegnasubramanian, email: // // Abstract DNA methylation at the 5-position of cytosines (5mC) represents an important epigenetic modification involved in tissue differentiation and is frequently altered in cancer. Recent evidence suggests that 5mC can be converted to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) in an enzymatic process involving members of the TET protein family. Such 5hmC modifications are known to be prevalent in DNA of embryonic stem cells and in the brain, but the distribution of 5hmC in the majority of embryonic and adult tissues has not been rigorously explored. Here, we describe an immunohistochemical detection method for 5hmC and the application of this technique to study the distribution of 5hmC in a large set of mouse and human tissues. We found that 5hmC was abundant in the majority of embryonic and adult tissues. Additionally, the level of 5hmC closely tracked with the differentiation state of cells in hierarchically organized tissues. The highest 5hmC levels were observed in terminally differentiated cells, while less differentiated tissue stem/progenitor cell compartments had very low 5hmC levels. Furthermore, 5hmC levels were profoundly reduced in carcinoma of the prostate, breast and colon compared to normal tissues. Our findings suggest a distinct role for 5hmC in tissue differentiation, and provide evidence for its large-scale loss in cancers.

Abstract Loss-of-function mutations in the nuclear factor erythroid-2–related factor 2 (Nrf2) inhibitor Kelch-like ECH-associated protein 1 (Keap1) result in increased Nrf2 activity in non–small cell lung cancer and confer therapeutic resistance. We detected point mutations in Keap1 gene, leading to nonconservative amino acid substitutions in prostate cancer cells. We found novel transcriptional and posttranscriptional mechanisms of Keap1 inactivation, such as promoter CpG island hypermethylation and aberrant splicing of Keap1, in DU-145 cells. Very low levels of Keap1 mRNA were detected in DU-145 cells, which significantly increased by treatment with DNA methyltransferase inhibitor 5-aza-deoxycytidine. The loss of Keap1 function led to an enhanced activity of Nrf2 and its downstream electrophile/drug detoxification pathway. Inhibition of Nrf2 expression in DU-145 cells by RNA interference attenuated the expression of glutathione, thioredoxin, and the drug efflux pathways involved in counteracting electrophiles, oxidative stress, and detoxification of a broad spectrum of drugs. DU-145 cells constitutively expressing Nrf2 short hairpin RNA had lower levels of total glutathione and higher levels of intracellular reactive oxygen species. Attenuation of Nrf2 function in DU-145 cells enhanced sensitivity to chemotherapeutic drugs and radiation-induced cell death. In addition, inhibition of Nrf2 greatly suppressed in vitro and in vivo tumor growth of DU-145 prostate cancer cells. Thus, targeting the Nrf2 pathway in prostate cancer cells may provide a novel strategy to enhance chemotherapy and radiotherapy responsiveness and ameliorate the growth and tumorigenicity, leading to improved clinical outcomes. Mol Cancer Ther; 9(2); 336–46

PD-1 blockade unleashes CD8 T cells1, including those specific for mutation-associated neoantigens (MANA), but factors in the tumour microenvironment can inhibit these T cell responses. Single-cell transcriptomics have revealed global T cell dysfunction programs in tumour-infiltrating lymphocytes (TIL). However, the majority of TIL do not recognize tumour antigens2, and little is known about transcriptional programs of MANA-specific TIL. Here, we identify MANA-specific T cell clones using the MANA functional expansion of specific T cells assay3 in neoadjuvant anti-PD-1-treated non-small cell lung cancers (NSCLC). We use their T cell receptors as a 'barcode' to track and analyse their transcriptional programs in the tumour microenvironment using coupled single-cell RNA sequencing and T cell receptor sequencing. We find both MANA- and virus-specific clones in TIL, regardless of response, and MANA-, influenza- and Epstein-Barr virus-specific TIL each have unique transcriptional programs. Despite exposure to cognate antigen, MANA-specific TIL express an incompletely activated cytolytic program. MANA-specific CD8 T cells have hallmark transcriptional programs of tissue-resident memory (TRM) cells, but low levels of interleukin-7 receptor (IL-7R) and are functionally less responsive to interleukin-7 (IL-7) compared with influenza-specific TRM cells. Compared with those from responding tumours, MANA-specific clones from non-responding tumours express T cell receptors with markedly lower ligand-dependent signalling, are largely confined to HOBIThigh TRM subsets, and coordinately upregulate checkpoints, killer inhibitory receptors and inhibitors of T cell activation. These findings provide important insights for overcoming resistance to PD-1 blockade.

Many DNA-hypermethylated cancer genes are occupied by the Polycomb (PcG) repressor complex in embryonic stem cells (ESCs). Their prevalence in the full spectrum of cancers, the exact context of chromatin involved, and their status in adult cell renewal systems are unknown. Using a genome-wide analysis, we demonstrate that ∼75% of hypermethylated genes are marked by PcG in the context of bivalent chromatin in both ESCs and adult stem/progenitor cells. A large number of these genes are key developmental regulators, and a subset, which we call the “DNA hypermethylation module,” comprises a portion of the PcG target genes that are down-regulated in cancer. Genes with bivalent chromatin have a low, poised gene transcription state that has been shown to maintain stemness and self-renewal in normal stem cells. However, when DNA-hypermethylated in tumors, we find that these genes are further repressed. We also show that the methylation status of these genes can cluster important subtypes of colon and breast cancers. By evaluating the subsets of genes that are methylated in different cancers with consideration of their chromatin status in ESCs, we provide evidence that DNA hypermethylation preferentially targets the subset of PcG genes that are developmental regulators, and this may contribute to the stem-like state of cancer. Additionally, the capacity for global methylation profiling to cluster tumors by phenotype may have important implications for further refining tumor behavior patterns that may ultimately aid therapeutic interventions.

Prostate tumors develop a unique epigenetic DNA methylation signature that is clonally maintained in disseminated metastases.