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.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)—a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single-cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely PSMA , STEAP1 , STEAP2 , TROP2, CEACAM5 , and DLL3 , varied within a subset of gene-regulatory networks (GRNs). We also noted that NEPC and small cell lung cancer subtypes shared a set of GRNs, indicative of conserved biologic pathways that may be exploited therapeutically across tumor types. While this extreme level of transcriptional heterogeneity, particularly in cell surface marker expression, may mitigate the durability of clinical responses to current and future antigen-directed therapies, its delineation may yield signatures for patient selection in clinical trials, potentially across distinct cancer types.

Summary Six transmembrane epithelial antigen of the prostate 1 (STEAP1) is a compelling tumor-associated cell surface antigen for therapeutic targeting in solid tumors. We identified broad expression of STEAP1 (87% positive) in lethal metastatic prostate cancer, even more so than prostate-specific membrane antigen (PSMA, 60% positive) which is a clinically established diagnostic and therapeutic target. Second-generation chimeric antigen receptor (CAR) T cells were engineered for reactivity against STEAP1 and demonstrated substantial antitumor activity in metastatic human prostate cancer models in immunodeficient mice. Adoptive transfer of STEAP1 CAR T cells was associated with prolonged peripheral persistence and either disease eradication or substantial tumor growth inhibition with progressive disease demonstrating antigen loss. As STEAP1 CAR T cells were also highly active in antigen density conditions as low as ∼1,500 molecules/cell, we generated a human STEAP1 (hSTEAP1) knock-in (KI) mouse to evaluate the potential for on-target off-tumor toxicities. hSTEAP1-KI mice demonstrated a pattern of systemic hSTEAP1 expression akin to that observed in humans with the greatest expression found in the prostate gland. Mouse-in-mouse studies of STEAP1 CAR T cell therapy in immunocompetent hSTEAP1-KI mice engrafted with disseminated mouse prostate cancer showed preliminary safety without evidence of gross toxicity, cytokine storm, or architectural disruption and increased T cell infiltration at sites of systemic hSTEAP1 expression. Tumor responses and extension of survival were appreciated but antigen loss was identified in recurrent and progressive disease. In summary, we report the extent of STEAP1 expression in treatment-refractory metastatic prostate cancer, the generation of a STEAP1 CAR T cell therapy with promising potency and safety in preclinical studies of advanced prostate cancer, and antigen escape as a mechanism of resistance to effective STEAP1 CAR T cell therapy.

ABSTRACT BACKGROUND Resistance to androgen deprivation therapies is a major driver of mortality in advanced prostate cancer. Therefore, there is a need to develop new pre-clinical models that allow the investigation of resistance mechanisms and the assessment of drugs for the treatment of castration resistant prostate cancer. METHODS We generated two novel cell line models (LAPC4-CR and VCaP-CR) which were derived by passaging LAPC4 and VCaP cells in vivo and in vitro under castrate conditions. We performed detailed transcriptomic (RNA-seq) and proteomic analyses (SWATH-MS) to delineate expression differences between castration-sensitive and castration-resistant cell lines. Furthermore, we characterized the in vivo and in vitro growth characteristics of the novel cell line models. RESULTS The two cell line derivatives LAPC4-CR and VCaP-CR showed castration resistant growth in vitro and in vivo which was only minimally inhibited by AR antagonists, enzalutamide and bicalutamide. High-dose androgen treatment resulted in significant growth arrest of VCaP-CR but not in LAPC4-CR cells. Both cell lines maintained AR expression, but exhibited distinct expression changes on the mRNA and protein level. Integrated analyses including data from LNCaP and the previously described castration resistant LNCaP-abl cells revealed an expression signature of castration resistance. CONCLUSIONS The two novel cell line models LAPC4-CR and VCaP-CR and their comprehensive characterization on the RNA and protein level represent important resources to study the molecular mechanisms of castration resistance.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)--a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis (TMA) on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated, but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely

Abstract Introduction: Metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) is a heterogeneous disease which can be classified into clinically relevant subtypes based on the expression of genes, such as the androgen receptor (AR) and neuroendocrine markers. Neuroendocrine prostate cancer (NEPC), characterized by gain of stem-like and neuroendocrine features and lack of AR expression is a clinically aggressive variant. Due to the lack of adequate biomarkers, NEPC is usually detected at a very advanced stage. There is mounting evidence that molecular subtype changes seen in NEPC are enforced by widespread epigenetic alterations, in particular DNA methylation changes. In this study, we aim to devise a novel DNA methylation-based assay for molecular subtyping and disease monitoring from cell-free DNA (cfDNA). Methods: We analyzed genome wide methylation patterns in 56 prostate cancer patient-derived xenograft (PDX) and 128 mCRPC tumors using array- and sequencing-based assays. We integrated DNA methylation at promoters, gene bodies and transcription factor binding site (TFBS) to determine the landscape of methylation alterations at key lineage specific genes. Using whole genome methylation derived from tissue with matched expression data we developed a deep learning framework to predict gene expression directly from tissue or cfDNA. Using key marker genes, the model was used to discern tumor molecular phenotypes from tissue and cfDNA in three independent cohorts of mCRPC patients using whole genome bisulfite sequencing and low-pass Enzymatic Methyl-Seq (EM-seq). Results: We observed a tight association between promoter, gene body and TFBS methylation with gene expression. Inferring gene expression from methylation for lineage specific markers such as AR, KLK3, ASCL1, INSM1, SRRM4 and DLL3 we classified molecular subtypes from both tissue and cfDNA. Additionally, for AR and ASCL1, we identified core sets of TFBSs whose differential methylation allowed for accurate assay-independent molecular subtype quantification. Applying the optimized quantitative model to mCRPC patients who underwent comprehensive tissue sampling by rapid autopsy we observed accurate subtype classification from both tissue samples and cfDNA for all cases. A similar analytical performance was observed in additional clinical mCRPC cohorts with cfDNA. Conclusion: Whole-genome methylation analysis of cfDNA allows for the prediction of gene expression patterns in tumor tissues, enabling non-invasive tumor subclassification and assessment of therapeutic targets. Citation Format: Mohamed Adil, Brian Hanratty, Pallabi Mustafi, Chitvan Mittal, Helen Richards, Ilsa Coleman, Radhika Patel, Anna-Lisa Doebley, Robert Patton, Eden Cruikshank, Patricia Galipeau, Ruth Dumpit, Martine Roudier, Jin-Yih Low, Navonil Sarkar, Robert Montgomery, Eva Corey, Colm Morrissey, Peter Nelson, Gavin Ha, Michael Haffner. Advance prostate cancer detection through epigenomic profiling of cell-free DNA [abstract]. In: Proceedings of the AACR Special Conference: Liquid Biopsy: From Discovery to Clinical Implementation; 2024 Nov 13-16; San Diego, CA. Philadelphia (PA): AACR; Clin Cancer Res 2024;30(21_Suppl):Abstract nr PR011.

Lysine-specific demethylase 1 (LSD1 or KDM1A) has emerged as a critical mediator of tumor progression in metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC). Among mCRPC subtypes, neuroendocrine prostate cancer (NEPC) is an exceptionally aggressive variant driven by lineage plasticity, an adaptive resistance mechanism to androgen receptor axis-targeted therapies. Our study shows that LSD1 expression is elevated in NEPC and associated with unfavorable clinical outcomes. Using genetic approaches, we validated the on-target effects of LSD1 inhibition across various models. We investigated the therapeutic potential of bomedemstat, an orally bioavailable, irreversible LSD1 inhibitor with low nanomolar potency. Our findings demonstrate potent antitumor activity against CRPC models, including tumor regressions in NEPC patient-derived xenografts. Mechanistically, our study uncovers that LSD1 inhibition suppresses the neuronal transcriptional program by downregulating ASCL1 through disrupting LSD1:INSM1 interactions and de-repressing YAP1 silencing. Our data support the clinical development of LSD1 inhibitors for treating CRPC, especially the aggressive NE phenotype.