ABSTRACT A subgroup of castration-resistant prostate cancer (CRPC) aberrantly expresses a gastrointestinal (GI) transcriptome governed by two GI-lineage-restricted transcription factors, HNF1A and HNF4G. In this study, we found that expression of GI transcriptome in CRPC correlates with adverse clinical outcomes to androgen receptor signaling inhibitor treatment and shorter overall survival. Bromo- and extra-terminal domain inhibitors (BETi) downregulated HNF1A, HNF4G, and the GI transcriptome in multiple CRPC models, including cell lines, patient-derived organoids, and patient-derived xenografts, while AR and the androgen-dependent transcriptome were largely spared. Accordingly, BETi selectively inhibited growth of GI transcriptome-positive preclinical models of prostate cancer. Mechanistically, BETi inhibited BRD4 binding at enhancers globally, including both AR and HNF4G bound enhancers while gene expression was selectively perturbed. Restoration of HNF4G expression in the presence of BETi rescued target gene expression without rescuing BRD4 binding. This suggests that inhibition of master transcription factors expression underlies the selective transcriptional effects of BETi. SIGNIFICANCE GI transcriptome expression in CRPC is regulated by the HNF1A-HNF4G-BRD4 axis and correlates with worse clinical outcomes. Accordingly, BET inhibitors significantly reduce tumor cell growth in multiple GI-transcriptome-positive preclinical models of CRPC. Our studies point that expression of GI transcriptome could serve as a predictive biomarker to BETi therapy response.

Abstract The switch/sucrose non-fermentable (SWI/SNF) chromatin remodeling complex is frequently deregulated during progression to castration-resistant prostate cancer (CRPC). Proteolysis targeting chimera (PROTAC) therapies degrading SWI/SNF ATPases offer a novel approach to interfere with androgen receptor (AR) signaling in AR-dependent CRPC (CRPC-AR). To explore the utility of SWI/SNF therapy beyond AR-sensitive CRPC, we investigated SWI/SNF ATPase targeting agents in AR-negative CRPC. SWI/SNF targeting PROTAC treatment of cell lines and organoid models reduced the viability of not only CRPC-AR but also WNT-signaling dependent AR-negative CRPC (CRPC-WNT), which accounts for about 10% of all clinical CRPC cases. In CRPC-WNT models, we discovered that SWI/SNF ATPase SMARCA4 depletion interfered with WNT signaling via the master transcriptional regulator TCF7L2 (TCF4). Functionally, TCF7L2 maintains proliferation via the MAPK signaling axis in this subtype of CRPC by forming a complex with β-Catenin and AP-1 transcription factor c-JUN. These data suggest a mechanistic rationale for MAPK inhibition or interventions that disrupt the formation of the pro-proliferative TCF7L2-β-Catenin-JUN complex in the CRPC-WNT subclass of advanced prostate cancer.

Summary The clinical use of potent androgen receptor (AR) inhibitors has promoted the emergence of novel subtypes of metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC), including neuroendocrine prostate cancer (CRPC-NE), which is highly aggressive and lethal 1 . These mCRPC subtypes display increased lineage plasticity and often lack AR expression 2–5 . Here we show that neuroendocrine differentiation and castration-resistance in CRPC-NE are maintained by the activity of Nuclear Receptor Binding SET Domain Protein 2 (NSD2) 6 , which catalyzes histone H3 lysine 36 dimethylation (H3K36me2). We find that organoid lines established from genetically-engineered mice 7 recapitulate key features of human CRPC-NE, and can display transdifferentiation to neuroendocrine states in culture. CRPC-NE organoids express elevated levels of NSD2 and H3K36me2 marks, but relatively low levels of H3K27me3, consistent with antagonism of EZH2 activity by H3K36me2. Human CRPC-NE but not primary NEPC tumors expresses high levels of NSD2, consistent with a key role for NSD2 in lineage plasticity, and high NSD2 expression in mCRPC correlates with poor survival outcomes. Notably, CRISPR/Cas9 targeting of NSD2 or expression of a dominant-negative oncohistone H3.3K36M mutant results in loss of neuroendocrine phenotypes and restores responsiveness to the AR inhibitor enzalutamide in mouse and human CRPC-NE organoids and grafts. Our findings indicate that NSD2 inhibition can reverse lineage plasticity and castration-resistance, and provide a potential new therapeutic target for CRPC-NE.

Abstract To gain insight into how ERG translocations cause prostate cancer, we performed single cell transcriptional profiling of an autochthonous mouse model at an early stage of disease initiation. Despite broad expression of ERG in prostate epithelial cells, we observed enhanced proliferation primarily in an intermediate subpopulation with a basal identity based on transcriptomics but with luminal morphology and cytokeratin expression. Through a series of lineage tracing and primary prostate epithelial transplantation experiments, we find that tumor initiating activity resides in a subpopulation of basal cells that also express luminal genes such as Tmprss2 and Nkx3 . 1 , but not in the larger population of classical luminal cells. Upon ERG activation, these basal-luminal hybrid cells expand into a highly proliferative population of intermediate basal-luminal identity then transition to fully differentiated luminal cells that reflect the lineage of ERG-positive cancers. These findings help resolve a preexisting debate about the cell of origin of ERG-driven prostate cancer and narrow the focus for future mechanistic studies to a basal-luminal subpopulation of tumor initiating cells.

Abstract Immune checkpoint blockade (ICB) has demonstrated clinical success in “inflamed” tumors with significant T-cell infiltrates, but tumors with an immune-desert tumor microenvironment (TME) fail to benefit. The tumor cell-intrinsic molecular mechanisms of the immune-desert phenotype remain poorly understood. Here, we demonstrate that inactivation of the Polycomb-repressive complex 2 (PRC2) core components, EED or SUZ12, a prevalent genetic event in malignant peripheral nerve sheath tumor (MPNST) and sporadically in other cancer types, drives a context-dependent immune-desert TME. PRC2 inactivation reprograms the chromatin landscape that leads to a cell-autonomous shift from primed baseline signaling-dependent cellular responses (e.g., interferon γ) to PRC2-regulated development and cellular differentiation transcriptional programs. Further, PRC2 inactivation reprograms the TME, leads to diminished tumor immune infiltrates and immune evasion through reduced chemokine production and impaired antigen presentation and T-cell priming, and confers ICB primary resistance through blunted T-cell recruitment in vivo . We demonstrate that strategies that enhancing innate immunity via intratumoral delivery of inactivated modified vaccinia virus Ankara (MVA) leads to increased tumor immune infiltrates and sensitizes PRC2-loss tumors to ICB. Our results provide novel molecular mechanisms of context-dependent dysfunctional epigenetic reprogramming that underline the immune-desert phenotype in MPNST and other cancers with PRC2 inactivation. Importantly, our findings highlight genetic-inactivation of PRC2 as a novel context-dependent ICB therapeutic resistance biomarker in cancer, and caution that therapeutic strategies that non-selectively target PRC2 in the host may lead to undesirable context-dependent immune evasion and ICB resistance in tumors. Our studies also point to intratumoral delivery of immunogenic therapeutic viruses as an initial strategy to modulate the immune-desert TME and capitalize on the clinical benefit of ICB.

ABSTRACT Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) establishes and maintains di- and tri-methylation at histone 3 at lysine 27 (H3K27me2/3) in the genome and plays oncogenic and tumor suppressor roles in context-dependent cancer pathogenesis. While there is clinical success of therapeutically targeting PRC2 core component, EZH2, in PRC2-dependent cancers (e.g., follicular lymphoma, epithelioid sarcoma), it remains an unmet therapeutic bottleneck in PRC2-inactivated cancer. Biallelic inactivating mutations in PRC2 core components are a hallmark feature of high-grade malignant peripheral nerve sheath tumor (MPNST), an aggressive subtype of sarcoma with poor prognosis and no effective targeted therapeutics. Using a custom RNAi-based drop out screen, we observed that PRC2-inactivation is synthetic lethal with DNA methyltransferase 1 (DNMT1) downregulation; we further observed that small molecule DNMT inhibitors (DNMTis) resulted in enhanced cytotoxicity and antitumor response in PRC2-loss cancer context in vitro and in vivo . Mechanistically, DNMTi-mediated de-repression of retrotransposons (e.g., endogenous retroviral elements (ERVs)/LTR, LINE, SINE) and gene targets is partly restricted by PRC2, which potentially contributes to limited therapeutic activity in PRC2-wild-type (wt) cancer context. In contrast, DNMTi treatment synergizes with PRC2 inactivation and cooperatively amplifies the expression of retrotransposons (e.g., ERV/LTR, LINE, SINE), and subsequent viral mimicry response that promotes robust cell death in part through PKR-dependent double stranded-RNA (dsRNA) sensing. Collectively, our observations posit DNA methylation as a safeguard against anti-tumorigenic cell fate decisions in the context of PRC2-inactivation to promote cancer pathogenesis. Further, they identified a novel targeted therapeutic strategy in PRC2-inactivated MPNST and delineated the PRC2-inactivated cancer context for future preclinical exploration and clinical investigation of DNMT1-targeted therapies in cancer. SIGNIFICANCE PRC2-inactivation drives oncogenesis in various cancers but therapeutically targeting PRC2-loss has remained challenging. Here we show that PRC2 inactivating mutations sets up a tumor context-specific liability for synthetic lethal interaction with genetic and therapeutic inhibition of DNMT1. DNMT1 inhibitor-induced cytotoxicity in PRC2-loss cancer context is accompanied by innate immune signaling signature through PKR-mediated sensing of endogenous retrotransposons. These observations posit a therapeutic window via direct anti-tumor effect by DNMT1 inhibitors in PRC2-loss cancers, and point to potentials to be combined with innovative immunotherapeutic strategies to capitalize on innate immune signaling activation.

Summary Unsupervised clustering and deconvolution analysis identifies a novel subtype of M-CRPC endowed with hybrid epithelial/mesenchymal (E/M) and luminal progenitor-like traits (Mesenchymal and Stem-like PC, MSPC). Analysis of patient datasets and mechanistic studies indicate that MSPC arises as a consequence of therapy-induced lineage plasticity. AR blockade instigates two separate and complementary processes: 1) transcriptional silencing of TP53 and hence acquisition of hybrid E/M and stem-like traits; and 2) inhibition of the BMP signaling, which promotes resistance to the pro-apoptotic and anti-proliferative effects of AR inhibition. The drug-tolerant prostate cancer cells generated through reprogramming are rescued by neuregulin and generate metastases in mice. Combined inhibition of HER2/3 and AR or mTORC1 exhibit efficacy in preclinical models of mixed ARPC/MSPC or MSPC, respectively. These results identify a novel subtype of M-CRPC, trace its origin to therapy-induced lineage plasticity, and reveal its dependency on HER2/3 signaling.