Abstract Understanding the molecular characteristics and changes of the tumor microenvironment (TME) associated with aggressive prostate cancer (PCa) is essential for precise diagnosis and treatment. We interrogated spatially resolved integrated transcriptomics and metabolomics data to build molecular strafiers discriminating patients with aggressive, potentially relapsing, and metastasizing PCa. We report a relapse associated (RA) gene expression signature characterized by upregulated immune response related gene expression scoring high in cancer, stroma, and glandular tissue of relapsing patients. Further, we identified a signature specific to a distinct sub-group of morphologically non-cancerous glands in prostate tissue from patients with relapsing cancer. This signature, named chemokine-enriched-gland (CEG) signature, was characterized by upregulated gene expression of pro-inflammatory chemokines. Glands with a high CEG score were enriched for club-like cells and surrounding stroma was infiltrated by immune cells. Tissue regions scoring high for both CEG and RA signatures were associated with reduced levels of citrate and zinc and loss of normal prostate secretory gland functions via reduced expression of genes necessary for citrate secretion. In summary we report that aggressive PCa is associated with an increased inflammatory status linked to chemokine production and club-like cell enrichment in potentially pre-cancerous prostate glands displaying an aberrant metabolism.

The pivotal task of the immune system is to distinguish between self and foreign antigens. The kinetic proofreading model (KPR) proposes that T cells discriminate self from foreign ligands by the different ligand binding half-lives to the T cell receptor (TCR). It is challenging to test KPR as the available experimental systems fall short of only altering the binding half-lives and keeping other parameters of the ligand-TCR interaction unchanged. We engineered an optogenetic system using the plant photoreceptor phytochrome B to selectively control the dynamics of ligand binding to the TCR by light. Combining experiments with mathematical modeling we find that the ligand-TCR interaction half-life is the decisive factor for activating downstream TCR signaling, substantiating the KPR hypothesis.

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 Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is the most prevalent type of renal malignant disease and is characterized by dismal prognosis in the metastasized setting. Invasive growth of cancer cells relates to high levels of compressive forces translating to relevant damage of the plasma membrane. However, functional implications of protein machineries required for plasma membrane repair in ccRCC are not yet completely elucidated. Given the membrane-associated localization of the large family of annexin proteins, we aimed for a global annotation of annexin proteins, which led to the identification of ANXA4 selectively expressed in cancer cells of ccRCC. Interestingly, ANXA4 showed context-dependent distinct localization patterns including the plasma membrane as well as the nuclear compartment/nuclear membrane. We investigated the functional role of ANXA4 in ccRCC employing genetic titration studies (knockdown, CRISPR/Cas9 knockout and overexpression) and identified impaired acute plasma membrane repair as well as invasive capability in conditions of reduced ANXA4 expression. Utilizing computational segmentation of the tumor microenvironment (TME) of ccRCC samples revealed that ANXA4 low tumors exhibited a distinct TME composition compared to ANXA4 high cases. ANXA4 low tumors showed higher levels of tumor infiltrating lymphocytes accompanied by increased deposition of acellular extracellular matrix. Further transcriptomic analysis demonstrated major alterations in transcriptional signatures related to epithelial-mesenchymal transition (EMT) and immune signaling. Transcription factor enrichment analysis and further functional validation identified ELF3 as one central regulator of invasive properties. Our integrative approach including molecular analyses with advanced histopathological segmentation uncovered novel roles for ANXA4 in modulating acute membrane repair, transcriptional regulation, and shaping cellular composition of the ccRCC tumor microenvironment.

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.