Abstract Primary resistance to androgen receptor (AR)–directed therapies in metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) is poorly understood. We randomized 202 patients with treatment-naïve mCRPC to abiraterone or enzalutamide and performed whole-exome and deep targeted 72-gene sequencing of plasma cell-free DNA prior to therapy. For these agents, which have never been directly compared, time to progression was similar. Defects in BRCA2 and ATM were strongly associated with poor clinical outcomes independently of clinical prognostic factors and circulating tumor DNA abundance. Somatic alterations in TP53, previously linked to reduced tumor dependency on AR signaling, were also independently associated with rapid resistance. Although detection of AR amplifications did not outperform standard prognostic biomarkers, AR gene structural rearrangements truncating the ligand binding domain were identified in several patients with primary resistance. These findings establish genomic drivers of resistance to first-line AR-directed therapy in mCRPC and identify potential minimally invasive biomarkers. Significance: Leveraging plasma specimens collected in a large randomized phase II trial, we report the relative impact of common circulating tumor DNA alterations on patient response to the most widely used therapies for advanced prostate cancer. Our findings suggest that liquid biopsy analysis can guide the use of AR-targeted therapy in general practice. Cancer Discov; 8(4); 444–57. ©2018 AACR. See related commentary by Jayaram et al., p. 392. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 371

Abstract Cancers can vary greatly in their transcriptomes. In contrast to alterations in specific genes or pathways, differences in tumor cell total mRNA content have not been comprehensively assessed. Technical and analytical challenges have impeded examination of total mRNA expression at scale across cancers. To address this, we developed a model for quantifying tumor-specific total mRNA expression (TmS) from bulk sequencing data, which performs transcriptomic deconvolution while adjusting for mixed genomes. We used single-cell RNA sequencing data to demonstrate total mRNA expression as a feature of tumor phenotype. We estimated and validated TmS in 5,015 patients across 15 cancer types identifying significant inter-individual variability. At a pan-cancer level, high TmS is associated with increased risk of disease progression and death. Cancer type-specific patterns of genetic alterations, intra-tumor genetic heterogeneity, as well as pan-cancer trends in metabolic dysregulation and hypoxia contribute to TmS. Taken together, our results suggest that measuring cell-type specific total mRNA expression offers a broader perspective of tracking cancer transcriptomes, which has important biological and clinical implications.

Abstract Prostate cancer is profoundly heterogeneous and patients would benefit from methods that stratify clinically indolent from more aggressive forms of the disease. We employed single-cell assay for transposase-accessible chromatin (ATAC) and RNA sequencing in models of early treatment response and resistance to enzalutamide. In doing so, we identified pre-existing and treatment-persistent cell subpopulations that possess transcriptional stem-like features and regenerative potential when subjected to treatment. We found distinct chromatin landscapes associated with enzalutamide treatment and resistance that are linked to alternative transcriptional programs. Transcriptional profiles characteristic of persistent stem-like cells were able to stratify the treatment response of patients. Ultimately, we show that defining changes in chromatin and gene expression in single-cell populations from pre-clinical models can reveal hitherto unrecognized molecular predictors of treatment response. This suggests that high analytical resolution of pre-clinical models may powerfully inform clinical decision-making.

Abstract Prostate cancer treatment resistance is a significant challenge facing the field. Genomic and transcriptomic profiling have partially elucidated the mechanisms through which cancer cells escape treatment, but their relation toward the tumor microenvironment (TME) remains elusive. Here we present a comprehensive transcriptomic landscape of the prostate TME at multiple points in the standard treatment timeline employing single-cell RNA-sequencing and spatial transcriptomics data from 110 patients. We identify club-like cells as a key epithelial cell subtype that acts as an interface between the prostate and the immune system. Tissue areas enriched with club-like cells have depleted androgen signaling and upregulated expression of luminal progenitor cell markers. Club-like cells display a senescence-associated secretory phenotype and their presence is linked to increased polymorphonuclear myeloid-derived suppressor cell (PMN-MDSC) activity. Our results indicate that club-like cells partake in inducing myeloid inflammation previously associated with androgen deprivation therapy resistance, providing a rationale for their therapeutic targeting.

Abstract Prostate cancer treatment resistance is a significant challenge facing the field. Genomic and transcriptomic profiling have partially elucidated the mechanisms through which cancer cells escape treatment, but their relation toward the tumor microenvironment (TME) remains elusive. Here we present a comprehensive transcriptomic landscape of the prostate TME at multiple points in the standard treatment timeline employing single-cell RNA-sequencing and spatial transcriptomics data from 120 patients. We identify club-like cells as a key epithelial cell subtype that acts as an interface between the prostate and the immune system. Tissue areas enriched with club-like cells have depleted androgen signaling and upregulated expression of luminal progenitor cell markers. Club-like cells display a senescence-associated secretory phenotype and their presence is linked to increased polymorphonuclear myeloid-derived suppressor cell (PMN-MDSC) activity. Our results indicate that club-like cells are associated with myeloid inflammation previously linked to androgen deprivation therapy resistance, providing a rationale for their therapeutic targeting.