Paul Boutros, Robert Bristow and colleagues report a molecular analysis of the spatial heterogeneity of clinically localized, multifocal prostate cancer. They find that multifocal tumors are highly heterogeneous, and they identify a novel recurrent amplification of MYCL1. Herein we provide a detailed molecular analysis of the spatial heterogeneity of clinically localized, multifocal prostate cancer to delineate new oncogenes or tumor suppressors. We initially determined the copy number aberration (CNA) profiles of 74 patients with index tumors of Gleason score 7. Of these, 5 patients were subjected to whole-genome sequencing using DNA quantities achievable in diagnostic biopsies, with detailed spatial sampling of 23 distinct tumor regions to assess intraprostatic heterogeneity in focal genomics. Multifocal tumors are highly heterogeneous for single-nucleotide variants (SNVs), CNAs and genomic rearrangements. We identified and validated a new recurrent amplification of MYCL, which is associated with TP53 deletion and unique profiles of DNA damage and transcriptional dysregulation. Moreover, we demonstrate divergent tumor evolution in multifocal cancer and, in some cases, tumors of independent clonal origin. These data represent the first systematic relation of intraprostatic genomic heterogeneity to predicted clinical outcome and inform the development of novel biomarkers that reflect individual prognosis.

The cancer transcriptome is remarkably complex, including low-abundance transcripts, many not polyadenylated. To fully characterize the transcriptome of localized prostate cancer, we performed ultra-deep total RNA-seq on 144 tumors with rich clinical annotation. This revealed a linear transcriptomic subtype associated with the aggressive intraductal carcinoma sub-histology and a fusion profile that differentiates localized from metastatic disease. Analysis of back-splicing events showed widespread RNA circularization, with the average tumor expressing 7,232 circular RNAs (circRNAs). The degree of circRNA production was correlated to disease progression in multiple patient cohorts. Loss-of-function screening identified 11.3% of highly abundant circRNAs as essential for cell proliferation; for ∼90% of these, their parental linear transcripts were not essential. Individual circRNAs can have distinct functions, with circCSNK1G3 promoting cell growth by interacting with miR-181. These data advocate for adoption of ultra-deep RNA-seq without poly-A selection to interrogate both linear and circular transcriptomes.

Abstract Germline mutations in the BRCA2 tumour suppressor are associated with both an increased lifetime risk of developing prostate cancer (PCa) and increased risk of aggressive disease. To understand this aggression, here we profile the genomes and methylomes of localized PCa from 14 carriers of deleterious germline BRCA2 mutations ( BRCA2 -mutant PCa). We show that BRCA2 -mutant PCa harbour increased genomic instability and a mutational profile that more closely resembles metastastic than localized disease. BRCA2 -mutant PCa shows genomic and epigenomic dysregulation of the MED12L / MED12 axis, which is frequently dysregulated in metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC). This dysregulation is enriched in BRCA2 -mutant PCa harbouring intraductal carcinoma (IDC). Microdissection and sequencing of IDC and juxtaposed adjacent non-IDC invasive carcinoma in 10 patients demonstrates a common ancestor to both histopathologies. Overall we show that localized castration-sensitive BRCA2 -mutant tumours are uniquely aggressive, due to de novo aberration in genes usually associated with metastatic disease, justifying aggressive initial treatment.

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 Replicative immortality is a hallmark of cancer, and can be achieved through telomere lengthening and maintenance. We report telomere lengths (TLs) of 392 localized prostate cancer tumours and characterize their relationship to genomic, transcriptomic and proteomic features. Shorter tumour TLs were associated with elevated genomic instability, including single-nucleotide variants, indels and structural variants. Genes involved in cell proliferation and signaling were correlated with tumour TL at all levels of the central dogma. TL was also associated with multiple clinical features of a tumour. Longer TLs in non-tumour samples were associated with a lower rate of biochemical relapse after definitive local therapy. Our analysis integrates multi-omics data to illuminate the relationship of specific genomic alterations in a tumour and TL in prostate cancer. Although the role of telomere length in cancer has been well studied, its association to genomic features is less well known. We describe the multi-level integration of telomere length, genomics, transcriptomics and proteomics in localized prostate cancer. Patient Summary We examined the association between telomere length and multiple omics-level data in prostate cancer. We observed that traditional telomere mutations are rare in prostate cancer and that telomere length is associated with multiple measure of genomic instability.

Summary: DNA sequencing is becoming more affordable and faster through advances in high-throughput technologies. This rise in data availability has contributed to the development of novel algorithms to elucidate previously obscure features and led to an increased reliance on complex workflows to integrate such tools into analyses pipelines. To facilitate the analysis of DNA sequencing data, we created metapipeline-DNA, a highly configurable and extensible pipeline. It encompasses a broad range of processing including raw sequencing read alignment and recalibration, variant calling, quality control and subclonal reconstruction. Metapipeline-DNA also contains configuration options to select and tune analyses while being robust to failures. This standardizes and simplifies the ability to analyze large DNA sequencing in both clinical and research settings. Availability: Metapipeline-DNA is an open-source Nextflow pipeline under the GPLv2 license and is freely available at https://github.com/uclahs-cds/metapipeline-DNA.