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.

ABSTRACT Abiraterone, a standard treatment for metastatic castrate-resistant prostate cancer (mCRPC), slows disease progression by abrogating androgen synthesis and antagonizing the androgen receptor (AR). We report that inhibitors of the mitotic kinase Plk1, including the clinically active third-generation Plk1 inhibitor onvansertib, when co-administered with abiraterone, synergistically kill cancer cells from a wide variety of tumor types in an androgen-independent manner, both in vitro and in vivo . Abiraterone treatment alone results in defects in mitotic spindle orientation, failure of complete chromosome condensation, and upregulation of mitosis and mitotic-spindle related gene sets independently of its effects on AR signaling. These effects, while mild following abiraterone monotherapy, result in profound sensitization to the anti-mitotic effects of Plk1 inhibition, leading to spindle assembly checkpoint-dependent mitotic cell death and entosis. In a murine PDX model of mCRPC, combined onvansertib and abiraterone resulted in enhanced mitotic arrest and dramatic inhibition of tumor cell growth compared to either agent alone. STATEMENT OF SIGNIFICANCE A phase 2 clinical trial is underway ( NCT03414034 ) testing combined Plk1 inhibitor onvansertib and abiraterone in mCRPC patients with nascent abiraterone resistance. Our work establishes a mechanistic basis for that trial and indicates that combined abiraterone and onvansertib co-treatment may have broad utility for cancer treatment beyond mCRPC.