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.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)—a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single-cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely PSMA , STEAP1 , STEAP2 , TROP2, CEACAM5 , and DLL3 , varied within a subset of gene-regulatory networks (GRNs). We also noted that NEPC and small cell lung cancer subtypes shared a set of GRNs, indicative of conserved biologic pathways that may be exploited therapeutically across tumor types. While this extreme level of transcriptional heterogeneity, particularly in cell surface marker expression, may mitigate the durability of clinical responses to current and future antigen-directed therapies, its delineation may yield signatures for patient selection in clinical trials, potentially across distinct cancer types.

Notch signaling can have either an oncogenic or tumor suppressive function in cancer depending on the cancer type and cellular context. While Notch can be oncogenic in early prostate cancer, we identified significant downregulation of the Notch pathway during prostate cancer progression from adenocarcinoma to neuroendocrine prostate cancer where it functions as a tumor suppressor. Activation of Notch in neuroendocrine and Rb1/Trp53-deficient prostate cancer models led to phenotypic conversion towards a more indolent non-neuroendocrine state with glandular features and expression of luminal lineage markers. This was accompanied by up-regulation of MHC and type I interferon and immune cell infiltration. Overall, these data support Notch signaling as a suppressor of neuroendocrine differentiation in advanced prostate cancer and provides insights into how Notch signaling influences lineage plasticity and the tumor microenvironment.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)--a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis (TMA) on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated, but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely