Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

Summary Here we explored the role of minor spliceosome (MiS) function and minor intron-containing gene (MIG) expression in prostate cancer (PCa). We show MIGs are enriched as direct interactors of cancer-causing genes and their expression discriminates PCa progression. Increased expression of MiS U6atac snRNA, including others, and 6x more efficient minor intron splicing was observed in castration-resistant PCa (CRPC) versus primary PCa. Notably, androgen receptor signalling influenced MiS activity. Inhibition of MiS through siU6atac in PCa caused minor intron mis-splicing and aberrant expression of MIG transcripts and encoded proteins, which enriched for MAPK activity, DNA repair and cell cycle. Single cell-RNAseq confirmed cell cycle defects and lineage dependency on the MiS from primary to CRPC and neuroendocrine PCa. siU6atac was ∼50% more efficient in lowering tumor burden of CRPC cells and organoids versus current state-of-the-art combination therapy. In all, MiS is a strong therapeutic target for lethal PCa and potentially other cancers. Graphical Abstract U6atac expression, MiS activity, and minor intron splicing correlate with PCa therapy resistance and PCa progression to CRPC-adeno and transdifferentiation to CRPC-NE. One major MiS regulator during that process is the AR-axis, which is re-activated during CRPC-adeno and blocked in CRPC-NE. Molecularly, an increase in MiS dependent splicing promotes changes of transcriptome and proteome. This results in cell cycle activation, increased MAPK signalling and increased DNA repair. U6atac mediated MiS inhibition renders MiS splicing error-prone through increased intron retention and alternative splicing events, which results in cell cycle block and decreased MAPK signalling and DNA repair. MiS inhibition blocks all stages of PCa. Figure created with BioRender.com .

Abstract Lethal prostate cancer commonly metastasizes to bone, lymph nodes, and visceral organs but with more effective therapies, there is an increased frequency of metastases to the brain. Little is known about the genomic drivers of prostate cancer brain metastases (PCBM). To address this, we conducted a comprehensive multi-regional, genomic, and targeted transcriptomic analysis of PCBM from 28 patients. We compared whole-exome and targeted RNA sequencing with matched primary tumors when available (n = 10) and with publicly available genomic data from non-brain prostate cancer metastases (n = 416). In addition to common alterations in TP53 , AR , RB1 , and PTEN , we identified highly significant enrichment of mutations in NF1 (25% cases (6/28), q = 0.049, 95% CI = 2.38 – 26.52, OR = 8.37) and RICTOR (17.9% cases (5/28), q = 0.01, 95% CI = 6.74 – 480.15, OR = 43.7) in PCBM compared to non-brain prostate cancer metastases, suggesting possible activation of the druggable pathways RAS/RAF/MEK/ERK and PI3K/AKT/mTOR, respectively. Compared to non-brain prostate cancer metastases, PCBM were almost three times as likely to harbor DNA homologous repair (HR) alterations (42.9% cases (12/28), p =0.016, 95% CI = 1.17 – 6.64, OR = 2.8). When considering the combination of somatic mutations, copy number alteration, and Large-scale State Transitions, 64.3% of patients (18/28) were affected. HR alterations may be critical drivers of brain metastasis that potentially provide cancer cells a survival advantage during re-establishment in a special microenvironment. We demonstrate that PCBM have genomic dependencies that may be exploitable through clinical interventions including PARP inhibition.

Abstract At present, prioritizing cancer treatments at the individual patient level remains challenging, and performing co-clinical studies using patient-derived models in real-time is often not feasible. To circumvent these challenges, we introduce OncoLoop, a precision medicine framework to predict and validate drug sensitivity in human tumors and their pre-existing high-fidelity ( cognate ) model(s) by leveraging perturbational profiles of clinically-relevant oncology drugs. As proof-of-concept, we applied OncoLoop to prostate cancer (PCa) using a series of genetically-engineered mouse models (GEMMs) that recapitulate a broad spectrum of disease states, including castration-resistant, metastatic, and neuroendocrine prostate cancer. Interrogation of published cohorts using Master Regulator (MR) conservation analysis revealed that most patients were represented by at least one cognate GEMM-derived tumor (GEMM-DT). Drugs predicted to invert MR activity in patients and their cognate GEMM-DTs were successfully validated, including in two cognate allografts and one cognate patient-derived xenograft (PDX). OncoLoop is a highly generalizable framework that can be extended to other cancers and potentially other diseases. Significance Statement OncoLoop is a transcriptomic-based experimental and computational framework that can support rapid-turnaround co-clinical studies to identify and validate drugs for individual patients, which can then be readily adapted to clinical practice. This framework should be applicable in many cancer contexts for which appropriate models and drug perturbation data are available.

Driver genes with a mutually exclusive mutation pattern across tumor genomes are thought to have overlapping roles in tumorigenesis. In contrast, we show here that mutually-exclusive prostate cancer driver alterations involving the ERG transcription factor and the ubiquitin ligase adaptor SPOP are synthetic sick. At the molecular level, the incompatible cancer pathways are driven by opposing functions in SPOP. ERG up-regulates wild type SPOP to dampen androgen receptor (AR) signaling and sustain ERG activity through degradation of the bromodomain histone reader ZMYND11. Conversely, SPOP-mutant tumors stabilize ZMYND11 to repress ERG-function and enable oncogenic androgen receptor signaling. This dichotomy regulates the response to therapeutic interventions in the AR pathway. While mutant SPOP renders tumor cells susceptible to androgen deprivation therapies, ERG promotes sensitivity to high-dose androgen therapy and pharmacological inhibition of wild type SPOP. More generally, these results define a distinct class of antagonistic cancer drivers and a blueprint toward their therapeutic exploitation.

Benign prostatic hyperplasia (BPH), a nonmalignant enlargement of the prostate, is one of the most common diseases affecting aging men, but the underlying molecular features of BPH remain poorly understood, and therapeutic options are limited. Here we employed a comprehensive molecular investigation of BPH, including genomic, transcriptomic and epigenetic profiling of 18 BPH cases. At the molecular level, we found no evidence of neoplastic features in BPH: no evidence of driver genomic alterations, including low coding mutation rates, mutational signatures consistent with aging tissues, minimal copy number alterations, and no genomic rearrangements. Similarly at the epigenetic level, we found global hypermethylation was the dominant process (unlike most neoplastic processes). By integrating transcriptional and methylation signatures, we identified two BPH subgroups with distinct clinical features and associated signaling pathways, which were validated in two independent cohorts. Finally, our analyses nominated mTOR inhibitors as a potential subtype-specific therapeutic option. Supporting this, a cohort of men exposed to mTOR inhibitors showed a significant decrease in prostate size. Our results demonstrate that BPH consists of distinct molecular subgroups, with potential for subtype-specific precision therapy via mTOR inhibition.

ABSTRACT Recent evidence has highlighted the role of N 6 -methyladenosine (m 6 A) in the regulation of mRNA expression, stability and translation, supporting a potential role for post-transcriptional regulation mediated by m 6 A in cancer. Here we explore prostate cancer as an exemplar and demonstrate that low levels of N 6 -adenosine-methyltransferase ( METTL3 ) is associated with advanced metastatic disease. To explore this relationship, we generated the first prostate m 6 A maps, and further examined how METTL3 regulates expression at the level of transcription, translation, and protein. Significantly, transcripts encoding extracellular matrix proteins are consistently upregulated with METTL3 knockdown. We also examined the relationship between METTL3 and androgen signaling and discovered the upregulation of a hepatocyte nuclear factor-driven gene signature that is associated with therapy resistance in prostate cancer. Significantly, METTL3 knockdown rendered the cells resistant to androgen receptor antagonists, implicating changes in m 6 A as a mechanism for therapy resistance in metastatic prostate cancer.

There has been much effort to prioritize genomic variants with respect to their impact on "function". However, function is often not precisely defined: Sometimes, it is the disease association of a variant; other times, it reflects a molecular effect on transcription or epigenetics. Here we coupled multiple genomic predictors to build GRAM, a generalized model, to predict a well-defined experimental target: the expression-modulating effect of a non-coding variant in a cell-specific manner. As a first step, we performed feature engineering: using a LASSO regularized linear model, we found transcription factor (TF) binding most predictive, especially for TFs that are hubs in the regulatory network; in contrast, evolutionary conservation, a popular feature in many other functional-impact predictors, has almost no contribution. Moreover, TF binding inferred from in vitro SELEX is as effective as that from in vivo ChIP-Seq. Second, we implemented GRAM integrating SELEX features and expression profiles. The program combines a universal regulatory score for a variant in a non-coding element with a modifier score reflecting the particular cell type. We benchmarked GRAM on a large-scale MPRA dataset in the GM12878 cell line, achieving a ROC score of ~0.73; performance on the K562 cell line was similar. Finally, we evaluated the performance of GRAM on targeted regions using luciferase assays in MCF7 and K562 cell lines. We noted that changing the insertion position of the construct relative to the reporter gene gives very different results, highlighting the importance of carefully defining the functional target the model is predicting.

Advanced prostate cancer initially responds to hormonal treatment, but ultimately becomes resistant and requires more potent therapies. One mechanism of resistance observed in ~10% of these patients is through lineage plasticity, which manifests in a partial or complete small cell or neuroendocrine prostate cancer (NEPC) phenotype. Here, we investigate the role of the mammalian SWI/SNF (mSWI/SNF) chromatin remodeling complex in NEPC. Using large patient datasets, patient-derived organoids and cancer cell lines, we identify mSWI/SNF subunits that are deregulated in NEPC and demonstrate that SMARCA4 (BRG1) overexpression is associated with aggressive disease. We also show that SWI/SNF complexes interact with different lineage-specific factors in NEPC compared to prostate adenocarcinoma. These data suggest a role for mSWI/SNF complexes in therapy-related lineage plasticity, which may be relevant for other solid tumors.

Repetitive sequences are hotspots of evolution at multiple levels. However, due to technical difficulties involved in their assembly and analysis, the role of repeats in tumor evolution is poorly understood. We developed a rigorous motif-based methodology to quantify variations in the repeat content of proteomes and genomes, directly from proteomic and genomic raw sequence data, and applied it to analyze a wide range of tumors and normal tissues. We identify high similarity between the repeat-instability in tumors and their patient-matched normal tissues, but also tumor-specific signatures, both in protein expression and in the genome, that strongly correlate with cancer progression and robustly predict the tumorigenic state. In a patient, the hierarchy of genomic repeat instability signatures accurately reconstructs tumor evolution, with primary tumors differentiated from metastases. We find an inverse relationship between repeat-instability and point mutation load, within and across patients, and independently of other somatic aberrations. Thus, repeat-instability is a distinct, transient and compensatory adaptive mechanism in tumor evolution.