ABSTRACT Transcriptional regulation is highly disease and cell-type specific. We performed H3K27ac chromatin immunoprecipitation and transcriptomic sequencing in primary tumors for the four different subtypes of invasive epithelial ovarian cancer (OC). Histotype-specific regulatory elements (REs) were enriched in enhancers (P<0.001). In silico prediction of putative target genes for histotype-specific REs identified genes ( WFDC2 , P=5.5×10 -5 ) and pathways (PI3K-Akt signaling, P<0.002) known to be involved in OC development. Some genes (e.g. PAX8 and CA125 ) are associated with super-enhancers (SEs) in all OCs, while others are histotype-specific, including PPP1R3B which is associated with SEs specific to clear cell OC. Integrated analysis of active chromatin landscapes with somatic single nucleotide variants (SNVs) from whole genome sequencing (WGS) of 232 primary OCs identified frequently mutated REs, including the KLF6 promoter (P=8.2×10 -8 ) and a putative enhancer at chromosome 6p22.1 (P<0.05). In high-grade serous OCs, somatic SNVs clustered in binding sites for the PAX8 binding partner TEAD4 (P=6×10 -11 ), while the collection of cis regulatory elements associated with PAX8 was the most frequently mutated set of enhancers in OC (P=0.003). Functional analyses supported our findings: Knockdown of PPP1R3B in clear cell OC cells significantly reduced intracellular glycogen content, a signature feature of this histotype; and stable knockout of a 635 bp region in the 6p22.1 enhancer induced downregulation of two predicted target genes, ZSCAN16 and ZSCAN12 (P=6.6 x 10 -4 and P=0.02). In summary, we have characterized histotype-specific epigenomic and transcriptomic landscapes in OC and defined likely functional REs based on somatic mutation analysis of ovarian tumors.

Abstract Genome-wide association studies (GWAS) have identified more than 140 prostate cancer (PrCa) risk regions which provide potential insights into causal mechanisms. Multiple lines of evidence show that a significant proportion of PrCa risk can be explained by germline causal variants that dysregulate nearby target genes in prostate-relevant tissues thus altering disease risk. The traditional approach to explore this hypothesis has been correlating GWAS variants with steady-state transcript levels, referred to as expression quantitative trait loci (eQTLs). In this work, we assess the utility of chromosome conformation capture (3C) coupled with immunoprecipitation (HiChIP) to identify target genes for PrCa GWAS risk loci. We find that interactome data confirms previously reported PrCa target genes identified through GWAS/eQTL overlap (e.g., MLPH ). Interestingly, HiChIP identified links between PrCa GWAS variants and genes well-known to play a role in prostate cancer biology (e.g., AR ) that are not detected by eQTL-based methods. We validate these findings through CRISPR interference (CRISPRi) perturbation of the variant-containing regulatory elements for NKX3-1 and AR in the LNCaP cell line. Our results demonstrate that looping data harbor additional information beyond eQTLs and expand the number of PrCa GWAS loci that can be linked to candidate susceptibility genes.

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.

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 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.

Abstract Metastatic castration resistant prostate cancers (mCRPC) are treated with therapies that antagonize the androgen receptor (AR). Nearly all patients develop resistance to AR-targeted therapies (ART). Our previous work identified CREB5 as an upregulated target gene in human mCRPC that promoted resistance to all clinically-approved ART. The mechanisms by which CREB5 promotes progression of mCRPC or other cancers remains elusive. Integrating ChIP-seq and rapid immunoprecipitation and mass spectroscopy of endogenous proteins (RIME), we report that cells overexpressing CREB5 demonstrate extensive reprogramming of nuclear protein-protein interactions in response to the ART agent enzalutamide. Specifically, CREB5 physically interacts with AR, the pioneering actor FOXA1, and other known co-factors of AR and FOXA1 at transcription regulatory elements recently found to be active in mCRPC patients. We identified a subset of CREB5/FOXA1 co-interacting nuclear factors that have critical functions for AR transcription (GRHL2, HOXB13) while others (TBX3, NFIC) regulated cell viability and ART resistance and were amplified or overexpressed in mCRPC. Upon examining the nuclear protein interactions and the impact of CREB5 expression on the mCRPC patient transcriptome, we found CREB5 was associated with TGFβ and Wnt signaling and epithelial to mesenchymal transitions, implicating these pathways in ART resistance. Overall, these observations define the molecular interactions among CREB5, FOXA1, and pathways that promote ART resistance.

Renal cell carcinoma with sarcomatoid differentiation (sRCC) is associated with poor survival and a heightened response to immune checkpoint inhibitors (ICIs). Two major barriers to improving outcomes for sRCC are the limited understanding of its gene regulatory programs and the low diagnostic yield of tumor biopsies due to spatial heterogeneity. Herein, we characterized the epigenomic landscape of sRCC by profiling 107 epigenomic libraries from tissue and plasma samples from 50 patients with RCC and healthy volunteers. By profiling histone modifications and DNA methylation, we identified highly recurrent epigenomic reprogramming enriched in sRCC. Furthermore, CRISPRa experiments implicated the transcription factor FOSL1 in activating sRCC-associated gene regulatory programs, and FOSL1 expression was associated with the response to ICIs in RCC in two randomized clinical trials. Finally, we established a blood-based diagnostic approach using detectable sRCC epigenomic signatures in patient plasma, providing a framework for discovering epigenomic correlates of tumor histology via liquid biopsy.

ABSTRACT Androgen receptor (AR)-mediated transcription plays a critical role in normal prostate development and prostate cancer growth. AR drives gene expression by binding to thousands of cis-regulatory elements (CRE) that loop to hundreds of target promoters. With multiple CREs interacting with a single promoter, it remains unclear how individual AR bound CREs contribute to gene expression. To characterize the involvement of these CREs, we investigated the AR-driven epigenetic and chromosomal chromatin looping changes. We collected a kinetic multiomic dataset comprised of steady-state mRNA, chromatin accessibility, transcription factor binding, histone modifications, chromatin looping, and nascent RNA. Using an integrated regulatory network, we found that AR binding induces sequential changes in the epigenetic features at CREs, independent of gene expression. Further, we showed that binding of AR does not result in a substantial rewiring of chromatin loops, but instead increases the contact frequency of pre-existing loops to target promoters. Our results show that gene expression strongly correlates to the changes in contact frequency. We then proposed and experimentally validated an unbalanced multi-enhancer model where the impact on gene expression of AR-bound enhancers is heterogeneous, and is proportional to their contact frequency with target gene promoters. Overall, these findings provide new insight into AR-mediated gene expression upon acute androgen simulation and develop a mechanistic framework to investigate nuclear receptor mediated perturbations.

Abstract Here we introduce Promoter-ENhancer-GUided Interaction Networks (PENGUIN), a method to uncover protein-protein interaction (PPI) networks at enhancer-promoter contacts. By integrating H3K27ac-HiChIP data and tissue-specific PPI information, PENGUIN enables cluster enhancers-promoter PPI networks (EPINs) and pinpoint actionable factors. Validating PENGUIN in cancer (LNCaP) and benign (LHSAR) prostate cell lines, we observed distinct CTCF-enriched clusters, which identifies diverse chromatin conformations. In LNCaP, we found an EPIN cluster enriched with oncogenes and prostate cancer-associated SNPs. We uncovered a total of 208 SNPs in LNCaP EPINs and used CRISPR/Cas9 knockout and RNAi screens to confirm their relevance. PENGUIN’s application in prostate cancer demonstrates its potential for studying human diseases. The approach allows exploration in different cell types and combinations of GWAS data, offering promising avenues for future investigations. In conclusion, PENGUIN provides valuable insights into the interplay between enhancer-promoter interactions and PPI networks, facilitating the identification of relevant genes and potential intervention targets.

Abstract A person’s germline genome strongly influences their risk of developing cancer. Yet the molecular mechanisms linking the host genome to the specific somatic molecular phenotypes of individual cancers are largely unknown. We quantified the relationships between germline polymorphisms and somatic mutational features in prostate cancer. Across 1,991 prostate tumors, we identified 23 co-occurring germline and somatic events in close 2D or 3D spatial genomic proximity, affecting 10 cancer driver genes. These driver quantitative trait loci (dQTLs) overlap active regulatory regions, and shape the tumor epigenome, transcriptome and proteome. Some dQTLs are active in multiple cancer types, and information content analyses imply hundreds of undiscovered dQTLs. Specific dQTLs explain at least 16.7% ancestry-biases in rates of TMPRSS2-ERG gene fusions and 67.3% of ancestry-biases in rates of FOXA1 point mutations. These data reveal extensive influences of common germline variation on somatic mutational landscapes.