Despite decreased screening-based detection of clinically insignificant tumors, most diagnosed prostate cancers are still indolent, indicating a need for better strategies for detection of clinically significant disease prior to treatment. We hypothesized that patients with detectable circulating tumor DNA (ctDNA) were more likely to harbor aggressive disease. We applied ultra-low pass whole genome sequencing to profile cell-free DNA from 112 patients diagnosed with localized prostate cancer and performed targeted resequencing of plasma DNA for somatic mutations previously identified in matched solid tumor in nine cases. We also performed similar analyses on patients with metastatic prostate cancer. In all cases of localized disease, even in clinically high-risk patients who subsequently recurred, we did not detect ctDNA by either method in plasma acquired before surgery or before recurrence. In contrast, ctDNA was detected from patients with metastatic disease. Our findings demonstrate clear differences between localized and advanced prostate cancer with respect to the dissemination and detectability of ctDNA. Because allele-specific alterations in ctDNA are below the threshold for detection in localized prostate cancer, other approaches to identify cell-free nucleic acids of tumor origin may demonstrate better specificity for aggressive disease.

Localized prostate cancer develops very slowly in most men, with the androgen receptor (AR) and MYC transcription factors amongst the most well-characterized drivers of prostate tumorigenesis. Canonically, MYC up-regulation in luminal prostate cancer cells functions to oppose the terminally differentiating effects of AR. However, the effects of MYC up-regulation are pleiotropic and inconsistent with a poorly proliferative phenotype. Here we show that increased MYC expression and activity are associated with the down-regulation of MEIS1, a HOX-family transcription factor. Using RNA-seq to profile a series of human prostate cancer specimens laser capture microdissected on the basis of MYC immunohistochemistry, MYC activity and MEIS1 expression were inversely correlated. Knockdown of MYC expression in prostate cancer cells increased expression of MEIS1 and increased occupancy of MYC at the MEIS1 locus. Finally, we show in laser capture microdissected human prostate cancer samples and the prostate TCGA cohort that MEIS1 expression is inversely proportional to AR activity as well as HOXB13, a known interacting protein of both AR and MEIS1. Collectively, our data demonstrate that elevated MYC in a subset of primary prostate cancers functions in a negative role in regulating MEIS1 expression, and that this down-regulation may contribute to MYC-driven development and progression.