Abstract Neuroendocrine carcinomas (NEC) are tumors expressing markers of neuronal differentiation that can arise at different anatomic sites but have strong histological and clinical similarities. Here we report the chromatin landscapes of a range of human NECs and show convergence to the activation of a common epigenetic program. With a particular focus on treatment emergent neuroendocrine prostate cancer (NEPC), we analyzed cell lines, patient-derived xenograft (PDX) models and human clinical samples to show the existence of two distinct NEPC subtypes based on the expression of the neuronal transcription factors ASCL1 and NEUROD1. While in cell lines and PDX models these subtypes are mutually exclusive, single cell analysis of human clinical samples exhibit a more complex tumor structure with subtypes coexisting as separate sub-populations within the same tumor. These tumor sub-populations differ genetically and epigenetically contributing to intra- and inter-tumoral heterogeneity in human metastases. Overall our results provide a deeper understanding of the shared clinicopathological characteristics shown by NECs. Furthermore, the intratumoral heterogeneity of human NEPCs suggests the requirement of simultaneous targeting of coexisting tumor populations as a therapeutic strategy.

Cells rely on antioxidants to survive. The most abundant antioxidant is glutathione (GSH). The synthesis of GSH is non-redundantly controlled by the glutamate-cysteine ligase catalytic subunit (GCLC). GSH imbalance is implicated in many diseases, but the requirement for GSH in adult tissues is unclear. To interrogate this, we developed a series of in vivo models to induce Gclc deletion in adult animals. We find that GSH is essential to lipid abundance in vivo. GSH levels are reported to be highest in liver tissue, which is also a hub for lipid production. While the loss of GSH did not cause liver failure, it decreased lipogenic enzyme expression, circulating triglyceride levels, and fat stores. Mechanistically, we found that GSH promotes lipid abundance by repressing NRF2, a transcription factor induced by oxidative stress. These studies identify GSH as a fulcrum in the liver's balance of redox buffering and triglyceride production.

ABSTRACT High-risk localized prostate cancer (HRLPC) is associated with a substantial risk of recurrence and prostate cancer-specific mortality 1 . Recent clinical trials have shown that intensifying anti-androgen therapies administered prior to prostatectomy can induce pathologic complete responses (pCR) or minimal residual disease (MRD) (<5 mm), together termed exceptional response, although the molecular determinants of these clinical outcomes are largely unknown. Here, we performed whole exome (WES) and whole transcriptome sequencing (RNA-seq) on pre-treatment multi-regional tumor biopsies from exceptional responders (ER: pCR and MRD patients) and non-responders (NR: pathologic T3 or lymph node positive disease) treated with intensive anti-androgen therapies prior to prostatectomy. SPOP mutation and SPOPL copy number loss were exclusively observed in ER, while TP53 mutation and PTEN copy number loss were exclusively observed in NR. These alterations were clonal in all tumor phylogenies per patient. Additionally, transcriptional programs involving androgen signaling and TGFβ signaling were enriched in ER and NR, respectively. The presence of these alterations in routine biopsies from patients with HRLPC may inform the prospective identification of responders to neoadjuvant anti-androgen therapies to improve clinical outcomes and stratify other patients to alternative biologically informed treatment strategies.

Abstract Cells rely on antioxidants to survive. The most abundant antioxidant is glutathione (GSH). The synthesis of GSH is non-redundantly controlled by the glutamate-cysteine ligase catalytic subunit (GCLC). GSH imbalance is implicated in many diseases, but the requirement for GSH in adult tissues is unclear. To interrogate this, we have developed a series of in vivo models to induce Gclc deletion in adult animals. We find that GSH is essential to lipid abundance in vivo. GSH levels are highest in liver tissue, which is also a hub for lipid production. While the loss of GSH does not cause liver failure, it decreases lipogenic enzyme expression, circulating triglyceride levels, and fat stores. Mechanistically, we find that GSH promotes lipid abundance by repressing NRF2, a transcription factor induced by oxidative stress. These studies identify GSH as a fulcrum in the liver’s balance of redox buffering and triglyceride production.

ABSTRACT Molecular profiling studies have enabled numerous discoveries for metastatic prostate cancer (MPC), but they have mostly occurred in academic medical institutions focused on select patient populations. We developed the Metastatic Prostate Cancer Project (MPCproject, mpcproject.org ), a patient-partnered initiative to empower MPC patients living anywhere in the U.S. and Canada to participate in molecular research and contribute directly to translational discovery. Here we present clinicogenomic results from our partnership with the first 706 MPCproject participants. We found that a patient-centered and remote research strategy enhanced engagement with patients in rural and medically underserved areas. Furthermore, patient-reported data achieved 90% consistency with abstracted health records for therapies and provided a mechanism for patient-partners to share information about their cancer experience not documented in medical records. Among the molecular profiling data from 333 patient-partners (n = 573 samples), whole exome sequencing of 63 tumor samples obtained from hospitals across the U.S. and Canada and 19 plasma cell-free DNA (cfDNA) samples from blood donated remotely recapitulated known findings in MPC and enabled longitudinal study of prostate cancer evolution. Inexpensive ultra-low coverage whole genome sequencing of 318 cfDNA samples from donated blood revealed clinically relevant genomic changes like AR amplification, even in the context of low tumor burden. Collectively, this study illustrates the power of a longitudinal partnership with patients to generate a more representative clinical and molecular understanding of MPC. Note To assist our patient-partners and the wider MPC community interpret the results of this study, we have included a glossary of terms in the Supplementary Materials.

Abstract Although papillary thyroid carcinoma (PTC) is the most frequent endocrine tumor with a generally excellent prognosis, a patient developed a clinically aggressive PTC eleven years after receiving platinum chemotherapy for ovarian endometrioid adenocarcinoma. Germline and somatic analyses of multi-temporal and multi-regional molecular profiles indicated that ovarian and thyroid tumors did not share common genetic alterations. PTC tumors had driver events associated with aggressive PTC behavior, an RBPMS-NTRK3 fusion and a TERT promoter mutation. Spatial and temporal genomic heterogeneity analysis indicated a close link between anatomical locations and molecular patterns of PTC. Mutational signature analyses demonstrated a molecular footprint of platinum exposure, and that aggressive molecular drivers of PTC were linked to prior platinum-associated mutagenesis. This case provides a direct association between platinum chemotherapy exposure and secondary solid tumor evolution, in specific aggressive thyroid carcinoma, and suggests that uniform clinical assessments for secondary PTC after platinum chemotherapy may warrant further evaluation.

The extent to which clinical and genomic characteristics associate with prostate cancer clonal architecture, tumor evolution, and therapeutic response remains unclear. Here, we reconstructed the clonal architecture and evolutionary trajectories of 845 prostate cancer tumors with harmonized clinical and molecular data. We observed that tumors from patients who self-reported as Black had more linear and monoclonal architectures, despite these men having higher rates of biochemical recurrence. This finding contrasts with prior observations relating polyclonal architecture to adverse clinical outcomes. Additionally, we utilized a novel approach to mutational signature analysis that leverages clonal architecture to uncover additional cases of homologous recombination and mismatch repair deficiency in primary and metastatic tumors and link the origin of mutational signatures to specific subclones. Broadly, prostate cancer clonal architecture analysis reveals novel biological insights that may be immediately clinically actionable and provide multiple opportunities for subsequent investigation.Tumors from patients who self-reported as Black demonstrate linear and monoclonal evolutionary trajectories yet experience higher rates of biochemical recurrence. In addition, analysis of clonal and subclonal mutational signatures identifies additional tumors with potentially actionable alterations such as deficiencies in mismatch repair and homologous recombination.

Pediatric solid tumors are rare malignancies that represent a leading cause of death by disease among children in developed countries. The early age-of-onset of these tumors suggests that germline genetic factors are involved, yet conventional germline testing for short coding variants in established predisposition genes only identifies pathogenic events in 10-15% of patients. Here, we examined the role of germline structural variants (SVs)—an underexplored form of germline variation—in pediatric extracranial solid tumors using germline genome sequencing of 1,766 affected children, their 943 unaffected relatives, and 6,665 adult controls. We discovered a sex-biased association between very large (>1 megabase) germline chromosomal abnormalities and a four-fold increased risk of solid tumors in male children. The overall impact of germline SVs was greatest in neuroblastoma, where we revealed burdens of ultra-rare SVs that cause loss-of-function of highly expressed, mutationally intolerant, neurodevelopmental genes, as well as noncoding SVs predicted to disrupt three-dimensional chromatin domains in neural crest-derived tissues. Collectively, our results implicate rare germline SVs as a predisposing factor to pediatric solid tumors that may guide future studies of oncogenesis and diagnostic screening in clinical practice.

Abstract Given the growing number of clinically integrated cancer single-cell transcriptomic studies, robust differential enrichment methods for gene signatures to dissect tumor cellular states for discovery and translation are critical. Current analysis strategies neither adequately represent the hierarchical structure of clinical single-cell transcriptomic datasets nor account for the variability in the number of recovered cells per sample, leading to results potentially confounded by sample-driven biology with high false positives instead of accurately representing true differential enrichment of group-level biology (e.g., treatment responders vs. non-responders). This problem is especially prominent for single-cell analyses of the tumor compartment, because high intra-patient similarity (as opposed to inter-patient similarity) results in stricter hierarchical structured data that confounds enrichment analysis. Furthermore, to identify signatures which are truly representative of the entire group, there is a need to quantify the robustness of otherwise statistically significant signatures to sample exclusion. Here, we present a new nonparametric statistical method, BEANIE, to account for these issues, and demonstrate its utility in two cancer cohorts stratified by clinical groups to reduce biological hypotheses and guide translational investigations. Using BEANIE, we show how the consideration of sample-specific versus group biology greatly decreases the false positive rate and guides identification of robust signatures that can also be corroborated across different cell type compartments.

Metastatic castration resistant prostate cancer (mCRPC) is primarily treated with therapies that prevent transcriptional activity of the androgen receptor (AR), cause DNA damage, or prevent cell division. Clinical resistance to these therapies, including second-generation androgen-targeting compounds such as enzalutamide and abiraterone, is nearly universal. Other treatment modalities, including immune checkpoint inhibitors, have provided minimal benefit except in rare subsets of patients. Both tumour intrinsic and extrinsic cellular programs contributing to therapeutic resistance remain areas of active investigation. Here we use full-length single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) to identify the transcriptional states of cancer and immune cells in the mCRPC microenvironment. Within cancer cells, we identified transcriptional patterns that mediate a significant proportion of inherited risk for prostate cancer, extensive heterogeneity in AR splicing within and between tumours, and vastly divergent regulatory programs between adenocarcinoma and small cell carcinoma. Moreover, upregulation of TGF-β signalling and epithelial-mesenchymal transition (EMT) were both associated with resistance to enzalutamide. We found that some lymph node metastases, but no bone metastases, were heavily infiltrated by dysfunctional CD8+ T cells, including cells undergoing dramatic clonal expansion during enzalutamide treatment. Our findings suggest avenues for rational therapeutic approaches targeting both tumour-intrinsic and immunological pathways to combat resistance to current treatment options.