Abstract Recent advances in spatial omics methods are revolutionising biomedical research by enabling detailed molecular analyses of cells and their interactions in their native state. As most technologies capture only a specific type of molecules, there is an unmet need to enable integration of multiple spatial-omics datasets. This, however, presents several challenges as these analyses typically operate on separate tissue sections at disparate spatial resolutions. Here, we established a spatial multi-omics integration pipeline enabling co-registration and granularity matching, and applied it to integrate spatial transcriptomics, mass spectrometry-based lipidomics, single nucleus RNA-seq and histomorphological information from human prostate cancer patient samples. This approach revealed unique correlations between lipids and gene expression profiles that are linked to distinct cell populations and histopathological disease states and uncovered molecularly different subregions not discernible by morphology alone. By its ability to correlate datasets that span across the biomolecular and spatial scale, the application of this novel spatial multi-omics integration pipeline provides unprecedented insight into the intricate interplay between different classes of molecules in a tissue context. In addition, it has unique hypothesis-generating potential, and holds promise for applications in molecular pathology, biomarker and target discovery and other tissue-based research fields.

Abstract Dysregulated lipid metabolism is a prominent feature of prostate cancer that is driven by androgen receptor (AR) signaling. Herein, we used quantitative mass spectrometry to define the “lipidome” in prostate tumors with matched benign tissues (n=21), independent tissues (n=47), and primary prostate explants cultured with a clinical AR antagonist, enzalutamide (n=43). Significant differences in lipid composition were detected and spatially visualized in tumors compared to matched benign samples. Notably, tumors featured higher proportions of monounsaturated lipids overall and elongated fatty acid chains in phosphatidylinositol and phosphatidylserine lipids. Significant associations between lipid profile and malignancy were validated in unmatched samples, and PL composition was characteristically altered in patient tissues that responded to AR inhibition. Importantly, targeting of altered tumor-related lipid features, via inhibition of acetyl CoA carboxylase 1, significantly reduced cellular proliferation in tissue explants (n=13). This first characterization of the prostate cancer lipidome in clinical tissues revealed enhanced fatty acid synthesis, elongation and desaturation as tumor-defining features, with potential for therapeutic targeting.

ABSTRACT Prostate tumours are highly reliant on lipids for energy, growth and survival. Activity of the androgen receptor (AR) is associated with reprogramming of lipid metabolic processes in prostate cancer, although the molecular underpinnings of this relationship remain to be fully elucidated. Here, we identified Acyl-CoA Synthetase Medium Chain Family Members 1 and 3 (ACSM1 and ACSM3) as AR-regulated mediators of prostate cancer metabolism and growth. ACSM1 and ACSM3 are upregulated in prostate tumours compared to non-malignant tissues and other cancer types. Both enzymes enhanced proliferation and protected PCa cells from death in vitro , while silencing ACSM3 led to reduced tumour growth in an orthotopic xenograft model. We show that ACSM1 and ACSM3 are major regulators of the PCa lipidome and enhance energy production via fatty acid oxidation. Metabolic dysregulation caused by loss of ACSM1/3 led to mitochondrial oxidative stress, lipid peroxidation and cell death by ferroptosis. Conversely, over-expression of ACSM1/3 enabled PCa cells to survive toxic doses of medium chain fatty acids and promoted resistance to ferroptosis-inducing drugs and AR antagonists. Collectively, these studies uncover a new link between AR and lipid metabolism and position ACSM1 and ACSM3 as key players in prostate cancer progression and therapy resistance.

Fatty acid β-oxidation (FAO) is the main bioenergetic pathway in prostate cancer (PCa) and a promising novel therapeutic vulnerability. Here we demonstrate therapeutic efficacy of targeting FAO in clinical prostate tumors cultured ex vivo, and identify DECR1, which encodes the rate-limiting enzyme for oxidation of polyunsaturated fatty acids (PUFAs), as robustly overexpressed in PCa tissues and associated with shorter relapse-free survival. DECR1 is a negatively-regulated androgen receptor (AR) target gene and, therefore, may promote PCa cell survival and resistance to AR targeting therapeutics. DECR1 knockdown in PCa cells selectively inhibited β-oxidation of PUFAs, inhibited proliferation and migration of PCa cells, including treatment resistant lines, and suppressed tumor cell proliferation in vivo. Mechanistically, targeting of DECR1 caused cellular accumulation of linoleic acid, enhanced mitochondrial oxidative stress and lipid peroxidation, and ferroptosis. These findings implicate PUFA oxidation via DECR1 as a previously unexplored facet of FAO that promotes survival of PCa cells.

ABSTRACT Peroxisomes are central metabolic organelles that have key roles in fatty acid homeostasis, including β-oxidation, and emerging evidence has linked aberrant peroxisome metabolism to cancer development and progression. While targeting mitochondrial β-oxidation in prostate cancer (PCa) has gained significant attention in recent years, the contribution of peroxisomal β-oxidation (perFAO) to PCa tumorigenesis is comparatively unexplored. Herein, we explored the therapeutic efficacy of targeting perFAO in PCa cells and clinical prostate tumours, and subsequently identified peroxisomal 2,4-dienoyl CoA reductase 2 (DECR2), as a key therapeutic target. DECR2 is markedly upregulated in clinical PCa, most notably in metastatic castrate-resistant PCa. Depletion of DECR2 significantly suppressed proliferation, migration, and 3D growth of a range of CRPC and enzalutamide-resistant PCa cell lines, and inhibited LNCaP tumour growth and proliferation in vivo . Using transcriptomic and lipidomic analyses, we determined that DECR2 influences cell cycle progression and lipid metabolism to enable tumour cell proliferation. We further demonstrated a novel role for perFAO in driving resistance to standard-of-care androgen receptor pathway inhibition, using genetic and pharmacological approaches to alter DECR2/perFAO in treatment-resistant PCa cells. Our findings highlight a need to focus on peroxisomes to suppress tumour cell proliferation and reveal new therapeutic targets for advanced, treatment-resistant PCa.