Matthew Freedman and colleagues show that androgen receptor (AR) binding sites undergo extensive reprogramming during prostate epithelial transformation. They further show that FOXA1 and HOXB13 colocalize at reprogrammed AR binding sites in human tumor tissue and are able to reprogram the AR cistrome of an immortalized prostate cell line to resemble that of prostate tumors. Master transcription factors interact with DNA to establish cell type identity and to regulate gene expression in mammalian cells1,2. The genome-wide map of these transcription factor binding sites has been termed the cistrome3. Here we show that the androgen receptor (AR) cistrome undergoes extensive reprogramming during prostate epithelial transformation in man. Using human prostate tissue, we observed a core set of AR binding sites that are consistently reprogrammed in tumors. FOXA1 and HOXB13 colocalized at the reprogrammed AR binding sites in human tumor tissue. Introduction of FOXA1 and HOXB13 into an immortalized prostate cell line reprogrammed the AR cistrome to resemble that of a prostate tumor, functionally linking these specific factors to AR cistrome reprogramming. These findings offer mechanistic insights into a key set of events that drive normal prostate epithelium toward transformation and establish the centrality of epigenetic reprogramming in human prostate tumorigenesis.

Summary

 Eradicating tumor dormancy that develops following epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitor (TKI) treatment of EGFR-mutant non-small cell lung cancer, is an attractive therapeutic strategy but the mechanisms governing this process are poorly understood. Blockade of ERK1/2 reactivation following EGFR TKI treatment by combined EGFR/MEK inhibition uncovers cells that survive by entering a senescence-like dormant state characterized by high YAP/TEAD activity. YAP/TEAD engage the epithelial-to-mesenchymal transition transcription factor SLUG to directly repress pro-apoptotic BMF, limiting drug-induced apoptosis. Pharmacological co-inhibition of YAP and TEAD, or genetic deletion of YAP1, all deplete dormant cells by enhancing EGFR/MEK inhibition-induced apoptosis. Enhancing the initial efficacy of targeted therapies could ultimately lead to prolonged treatment responses in cancer patients.

Increased androgen receptor (AR) activity drives therapeutic resistance in advanced prostate cancer. The most common resistance mechanism is amplification of this locus presumably targeting the AR gene. Here, we identify and characterize a somatically acquired AR enhancer located 650 kb centromeric to the AR. Systematic perturbation of this enhancer using genome editing decreased proliferation by suppressing AR levels. Insertion of an additional copy of this region sufficed to increase proliferation under low androgen conditions and to decrease sensitivity to enzalutamide. Epigenetic data generated in localized prostate tumors and benign specimens support the notion that this region is a developmental enhancer. Collectively, these observations underscore the importance of epigenomic profiling in primary specimens and the value of deploying genome editing to functionally characterize noncoding elements. More broadly, this work identifies a therapeutic vulnerability for targeting the AR and emphasizes the importance of regulatory elements as highly recurrent oncogenic drivers.

Objective

 Hypomethylation of LINE-1 elements has emerged as a distinguishing feature in human cancers. Limited evidence indicates that some LINE-1 elements encode an additional internal antisense promoter, and increased hypomethylation of this region may lead to inadvertent activation of evolutionarily methylation-silenced downstream genes. However, the significance of this fundamental epigenetic mechanism in colorectal cancer (CRC) has not been investigated previously. 

Design

 We analysed tissue specimens from 77 CRC patients with matched sets of normal colonic mucosa, primary CRC tissues (PC), and liver metastasis tissues (LM). LINE-1 methylation levels were determined by quantitative bisulfite pyrosequencing. MET, RAB3IP and CHRM3 protein expression was determined by western blotting and IHC. MET proto-oncogene transcription and 5-hydroxymethylcytosine (5-hmc) were evaluated by quantitative real-time-PCR. 

Results

 Global LINE-1 methylation levels in LM were significantly lower compared with the matched PC (PC=66.2% vs LM=63.8%; p<0.001). More importantly, we observed that specific LINE-1 sequences residing within the intronic regions of multiple proto-oncogenes, MET (p<0.001), RAB3IP (p=0.05) and CHRM3 (p=0.01), were significantly hypomethylated in LM tissues compared with corresponding matched PC. Furthermore, reduced methylation of specific LINE-1 elements within the MET gene inversely correlated with induction of MET expression in CRC metastases (R=−0.44; p<0.0001). Finally, increased 5-hmc content was associated with LINE-1 hypomethylation. 

Conclusions

 Our results provide novel evidence that hypomethylation of specific LINE-1 elements permits inadvertent activation of methylation-silenced MET, RAB3IP and CHRM3 proto-oncogenes in CRC metastasis. Moreover, since 5-hmc content inversely correlated with LINE-1 hypomethylation in neoplastic tissues, our results provide important mechanistic insights into the fundamental processes underlying global DNA hypomethylation in human CRC.

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.

Enteroendocrine cells (EECs), which secrete serotonin (enterochromaffin cells, EC) or a dominant peptide hormone, serve vital physiologic functions. As with any adult human lineage, the basis for terminal cell diversity remains obscure. We replicated human EEC differentiation

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 Accessible chromatin plays a central role in gene expression and chromatin architecture. Current accessible chromatin approaches depend on limited digestion/cutting and pasting adaptors at the accessible DNA, thus requiring additional materials and time for optimization. Universal NicE-seq (UniNicE-seq) is an improved accessible chromatin profiling method that negate the optimization step and is suited to a variety of mammalian cells and tissues. Addition of 5-methyldeoxycytidine triphosphate during accessible chromatin labeling and an on-bead library making step substantially improved the signal to noise ratio while protecting the accessible regions from repeated nicking in cell lines, mouse T cells, mouse kidney, and human frozen tissue sections. We also demonstrate one tube UniNicE-seq for FFPE tissue section for direct NGS library preparation without sonication and DNA purification steps. These refinements allowed reliable mapping of accessible chromatin for high resolution genomic feature studies.

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.

Summary The capacity to generate functional hepatocytes from renewable human pluripotent stem cells (hPSCs) could address limited supplies of primary human hepatocytes. However, hepatocytes differentiated from hPSCs in vitro are functionally immature. To understand mechanisms regulating maturation of in vitro derived hepatocytes, we developed a 3D spheroid differentiation system and compared gene regulatory elements in uncultured human primary hepatocytes with those in hepatocytes that were differentiated in 2D or 3D conditions from human PSCs by RNA-seq, ATAC-seq, and H3K27Ac ChIP-seq. Three-dimensional differentiation improved enhancer activity and expression of transcription factor ONECUT1 , but was insufficient to upregulate human-specific mature hepatocytes marker gene CYP3A4 or super-enhancer regulated transcription factor gene NFIC . Regulome comparisons showed reduced enrichment of thyroid receptor THRB motifs in accessible chromatin and in active enhancers without reduced transcription of THRB , suggesting the regulation at the level of THRB ligands in PSC-differentiated hepatocytes. Addition of thyroid hormone T3 to the PSC-differentiated hepatocytes increased CYP3A4 expression. T3 increased binding of THRB to the CYP3A4 proximal enhancer and restored the super-enhancer status and gene expression of NFIC and reduced expression of AFP . The resultant hPSC-hepatocytes showed gene expression, epigenetic status and super-enhancer landscape closer to primary hepatocytes and activated regulatory regions including non-coding SNPs associated with liver-related diseases. Transplanting the 3D PSC-hepatocytes into immunocompromised mice resulted in engraftment of human hepatocytes in the mouse liver parenchyma without disrupting normal liver histology at 6 months after transplantation. This work provides insights into the functions of nuclear receptor THRB and highlights the importance of the environmental factors-nuclear receptors axis in regulating maturation of human PSC-differentiated cell types.