Abstract Lineage plasticity is a well–established mechanism of resistance to targeted therapies in lung and prostate cancer, where tumors transition from adenocarcinoma to small–cell or neuroendocrine carcinoma. Through single–cell analysis of a cohort of heavily–treated castration–resistant human prostate cancers (CRPC), we report a greater degree of plasticity than previously appreciated, with multiple distinct neuroendocrine (NEPC), mesenchymal (EMT–like), and other subpopulations detected within single biopsies. To explore the steps leading to this plasticity, we turned to two genetically engineered mouse models of prostate cancer that recapitulate progression from adenocarcinoma to neuroendocrine disease. Time course studies reveal expansion of stem–like luminal epithelial cells ( Sca1 +, Psca +, called L2) that, based on trajectories, gave rise to at least 4 distinct subpopulations, NEPC ( Ascl1 +), POU2F3 ( Pou2f3 +), TFF3 ( Tff3 +) and EMT–like ( Vim +, Ncam1 +)––these populations are also seen in human prostate and small cell lung cancers. Transformed L2–like cells express stem–like and gastrointestinal endoderm–like transcriptional programs, indicative of reemerging developmental plasticity programs, as well as elevated Jak/Stat and interferon pathway signaling. In sum, while the magnitude of multilineage heterogeneity, both within and across patients, raises considerable treatment challenges, the identification of highly plastic luminal cells as the likely source of this heterogeneity provides a target for more focused therapeutic intervention. One Sentence Summary Multilineage plasticity results from expansion of stem–like luminal cells with JAK/STAT activation, serving as a therapeutic target.

Abstract The inherent plasticity of tumor cells provides a mechanism of resistance to many molecularly targeted therapies, exemplified by adeno-to-neuroendocrine lineage transitions seen in prostate and lung cancer. Here we investigate the root cause of this lineage plasticity in a primary murine prostate organoid model that mirrors the lineage transition seen in patients. These cells lose luminal identity within weeks following deletion of Trp53 and Rb1 , ultimately acquiring an Ar-negative, Syp+ phenotype after orthotopic in vivo transplantation. Single-cell transcriptomic analysis revealed progressive mixing of luminal-basal lineage features after tumor suppressor gene deletion, accompanied by activation of Jak/Stat and Fgfr pathway signaling and interferon-a and -g gene expression programs prior to any morphologic changes. Genetic or pharmacologic inhibition of Jak1/2 in combination with FGFR blockade restored luminal differentiation and sensitivity to antiandrogen therapy in models with residual AR expression. Collectively, we show lineage plasticity initiates quickly as a largely cell-autonomous process and, through newly developed computational approaches, identify a pharmacological strategy that restores lineage identity using clinical grade inhibitors.

Summary The androgen receptor (AR) is a steroid receptor and master transcription factor that governs gene expression programs required for luminal development of prostate epithelium, formation of muscle tissue and maintenance of the male phenotype. AR misregulation is a hallmark of multiple malignancies, including prostate cancer, where AR hyperactivation and expansion of its transcriptome occur in part through AR gene amplification and interaction with oncoprotein cofactors. Despite its biological importance, how AR’s individual domains and its protein cofactors cooperate to bind DNA have remained elusive. Using a combination of reconstitution biochemistry and single particle cryo-electron microscopy (EM), we have isolated three conformational states of AR bound to DNA. We observe that AR forms a non-obligate dimer, with the buried dimer interface utilized by related ancestral nuclear receptors repurposed to facilitate cooperative DNA binding. We identify surfaces bridging AR’s domains responsible for allosteric communication, that are compromised in partial androgen insensitivity syndrome (PAIS), and are reinforced by AR’s oncoprotein cofactor, ERG, and DNA binding site motifs. Finally, we present evidence that this plastic dimer interface for transcriptional activation may have been adopted by AR at the expense of DNA binding. Our work highlights how fine-tuning of AR’s cooperative interactions translate to consequences in development and disease.

ABSTRACT Lineage plasticity is a recognized hallmark of cancer progression that can shape therapy outcomes. The underlying cellular and molecular mechanisms mediating lineage plasticity remain poorly understood. Here, we describe a versatile in vivo platform to identify and interrogate the molecular determinants of neuroendocrine lineage transformation at different stages of prostate cancer progression. Adenocarcinomas reliably develop following orthotopic transplantation of primary mouse prostate organoids acutely engineered with human-relevant driver alterations (e.g., Rb1 -/- ; Trp53 -/- ; cMyc + or Pten -/- ; Trp53 -/- ; cMyc + ), but only those with Rb1 deletion progress to ASCL1+ neuroendocrine prostate cancer (NEPC), a highly aggressive, androgen receptor signaling inhibitor (ARSI)-resistant tumor. Importantly, we show this lineage transition requires a native in vivo microenvironment not replicated by conventional organoid culture. By integrating multiplexed immunofluorescence, spatial transcriptomics and PrismSpot to identify cell type-specific spatial gene modules, we reveal that ASCL1+ cells arise from KRT8+ luminal epithelial cells that progressively acquire transcriptional heterogeneity, producing large ASCL1 + ;KRT8 - NEPC clusters. Ascl1 loss in established NEPC results in transient tumor regression followed by recurrence; however, Ascl1 deletion prior to transplantation completely abrogates lineage plasticity, yielding adenocarcinomas with elevated AR expression and marked sensitivity to castration. The dynamic feature of this model reveals the importance of timing of therapies focused on lineage plasticity and offers a platform for identification of additional lineage plasticity drivers.

Abstract We describe a new mouse model of rectal cancer (RC) involving rapid tumor organoid engraftment via orthotopic transplantation; the resulting RC tumors invaded inward from the mucosal surface and metastasized to distant organs. Histologically the tumors closely resemble human RC and mirror remodeling of the tumor microenvirnoment (TME) in response to radiation. This murine RC model thus recapitulates the pathogenesis of human RC, thereby fulfilling the need for a physiologically accurate model for preclinical efficacy studies.