While mutations affecting protein-coding regions have been examined across many cancers, structural variants at the genome-wide level are still poorly defined. Through integrative deep whole-genome and -transcriptome analysis of 101 castration-resistant prostate cancer metastases (109X tumor/38X normal coverage), we identified structural variants altering critical regulators of tumorigenesis and progression not detectable by exome approaches. Notably, we observed amplification of an intergenic enhancer region 624 kb upstream of the androgen receptor (AR) in 81% of patients, correlating with increased AR expression. Tandem duplication hotspots also occur near MYC, in lncRNAs associated with post-translational MYC regulation. Classes of structural variations were linked to distinct DNA repair deficiencies, suggesting their etiology, including associations of CDK12 mutation with tandem duplications, TP53 inactivation with inverted rearrangements and chromothripsis, and BRCA2 inactivation with deletions. Together, these observations provide a comprehensive view of how structural variations affect critical regulators in metastatic prostate cancer.

The impact of variations in the three-dimensional structure of the genome has been recognized, but solid cancer tissue studies are limited. Here, we performed integrated deep Hi-C sequencing with matched whole-genome sequencing, whole-genome bisulfite sequencing, 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) sequencing and RNA sequencing across a cohort of 80 biopsy samples from patients with metastatic castration-resistant prostate cancer. Dramatic differences were present in gene expression, 5-methylcytosine/5hmC methylation and in structural variation versus mutation rate between A and B (open and closed) chromatin compartments. A subset of tumors exhibited depleted regional chromatin contacts at the AR locus, linked to extrachromosomal circular DNA (ecDNA) and worse response to AR signaling inhibitors. We also identified topological subtypes associated with stark differences in methylation structure, gene expression and prognosis. Our data suggested that DNA interactions may predispose to structural variant formation, exemplified by the recurrent TMPRSS2-ERG fusion. This comprehensive integrated sequencing effort represents a unique clinical tumor resource.

Stem cells play a critical role in cancer development by contributing to cell heterogeneity, lineage plasticity, and drug resistance. We created gene expression networks from hundreds of mouse tissue samples (both normal and tumor) and integrated these with lineage tracing and single-cell RNA-seq, to identify convergence of cell states in premalignant tumor cells expressing markers of lineage plasticity and drug resistance. Two of these cell states representing multilineage plasticity or proliferation were inversely correlated, suggesting a mutually exclusive relationship. Treatment of carcinomas in vivo with chemotherapy repressed the proliferative state and activated multilineage plasticity whereas inhibition of differentiation repressed plasticity and potentiated responses to cell cycle inhibitors. Manipulation of this cell state transition point may provide a source of potential combinatorial targets for cancer therapy.

Abstract Although the importance of T-cell immune responses is well appreciated in cancer, autoantibody responses are less well-characterized. Nevertheless, autoantibody responses are of great interest, as they may be concordant with T-cell responses to cancer antigens or predictive of response to cancer immunotherapies. We performed serum epitope repertoire analysis (SERA) on a total of 1,229 serum samples obtained from a cohort of 72 men with metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) and 1,157 healthy control patients to characterize the autoantibody landscape of mCRPC. Using whole-genome sequencing results from paired solid-tumor metastasis biopsies and germline specimens, we identified tumor-specific epitopes in 29 mutant and 11 non-mutant proteins. Autoantibody enrichments for the top candidate autoantigen (NY-ESO-1) were validated using ELISA performed on the prostate cancer cohort and an independent cohort of 106 patients with melanoma. Our study recovers antigens of known importance and identifies novel tumor-specific epitopes of translational interest in advanced prostate cancer. Statement of significance Autoantibodies have been shown to inform treatment response and candidate drug targets in various cancers. We present the first large-scale profiling of autoantibodies in advanced prostate cancer, utilizing a new next-generation sequencing-based approach to antibody profiling to reveal novel cancer-specific antigens and epitopes. Disclosure of Potential Conflicts of Interest JJA reports receiving consulting income from Janssen Biotech and Merck and honoraria from Astellas for speaker’s fees. MR reports receiving commercial research support from Novartis, Johnson & Johnson, Merck, Astellas, and Medivation, and is a consultant/advisory board member for Constellation Pharmaceuticals, Amgen, Ambrx, Johnson & Johnson, and Bayer. A.R. has received honoraria from consulting with Amgen, Bristol-Myers Squibb, Chugai, Dynavax, Genentech, Merck, Nektar, Novartis, Roche and Sanofi, is or has been a member of the scientific advisory board and holds stock in Advaxis, Arcus Biosciences, Bioncotech Therapeutics, Compugen, CytomX, Five Prime, RAPT, ImaginAb, Isoplexis, Kite-Gilead, Lutris Pharma, Merus, PACT Pharma, Rgenix and Tango Therapeutics. FYF serves on the advisory board for Dendreon, EMD Serono, Janssen Oncology, Ferring, Sanofi, Blue Earth Diagnostics, Celgene, consults for Bayer, Medivation/Astellas, Genetech, and Nutcracker Therapeutics, has honoraria from Clovis Oncology, and is a founder and has an ownership stake in PFS Genomics. SGZ and FYF have patent applications with Decipher Biosciences. SGZ and FYF have a patent application licensed to PFS Genomics. SGZ and FYF have patent applications with Celgene. WAH, RW, KK, PSD, and JCS have ownership of stocks or shares at Serimmune, paid employment at Serimmune, board membership at Serimmune, and patent applications on behalf of Serimmune.

Abstract Metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) is a lethal disease that resists therapy targeting androgen signaling, the primary driver of prostate cancer. mCRPC resists androgen receptor (AR) inhibitors by amplifying AR signaling or by evolving into therapy-resistant subtypes that do not depend on AR. Elucidation of the epigenetic underpinnings of these subtypes could provide important insights into the drivers of therapy resistance. In this study, we produced chromatin accessibility maps linked to the binding of lineage-specific transcription factors (TF) by performing ATAC sequencing on 70 mCRPC tissue biopsies integrated with transcriptome and whole genome sequencing. mCRPC had a distinct global chromatin accessibility profile linked to AR function. Analysis of TF occupancy across accessible chromatin revealed 203 TFs associated with mCRPC subtypes. Notably, ZNF263 was identified as a putative prostate cancer TF with a significant impact on gene activity in the double-negative (AR- neuroendocrine-) subtype, potentially activating MYC targets. Overall, this analysis of chromatin accessibility in mCRPC provides valuable insights into epigenetic changes that occur during progression to mCRPC.

Abstract Background Prostate cancer is a heterogenous disease, but once it becomes metastatic it eventually becomes treatment resistant. One mechanism of resistance to AR-targeting therapy is lineage plasticity, where the tumor undergoes a transformation to an AR-indifferent phenotype, most studied in the context of neuroendocrine prostate cancer (NEPC). However, activation of additional de- or trans-differentiation programs, including a gastrointestinal (GI) gene expression program, has been suggested as an alternative method of resistance. In this study, we explored the previously identified GI prostate cancer phenotype (PCa-GI) in a large cohort of metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) patient biopsy samples. Methods We analyzed a dataset of 634 mCRPC samples with batch effect corrected gene expression data from the West Coast Dream Team (WCDT), the East Coast Dream Team (ECDT), the Fred Hutchinson Cancer Research Center (FHCRC) and the Weill Cornell Medical center (WCM). Survival data was available from the WCDT and ECDT cohorts. We calculated a gene expression GI score using the sum of z-scores of genes from a published set of PCa-GI-defining genes (N=38). Survival analysis was performed using the Kaplan-Meier method and Cox proportional hazards regression with endpoint overall survival from time of biopsy to death of any cause. Results We found that the PCa-GI score had a bimodal distribution, identifying a distinct set of tumors with an activated GI expression pattern. Approximately 35% of samples were classified as PCa-GI high, which was concordant with prior reports. Liver metastases had the highest median score but after excluding liver samples, 29% of the remaining samples were still classified as PCa-GI high, suggesting a distinct phenotype not exclusive to liver metastases. No correlation was observed between GI score and proliferation, AR signaling, or NEPC scores. Furthermore, the PCa-GI score was not associated with genomic alterations in AR, FOXA1, RB1, TP53 or PTEN . However, tumors with MYC amplifications showed significantly higher GI scores (p=0.0001). Patients with PCa-GI tumors had a shorter survival (HR=1.5 [1.1-2.1], p=0.02), but this result was not significant after adjusting for the liver as metastatic site (HR=1.2 [0.82-1.7], p=0.35). Patients with PCa-GI low samples had a better outcome after androgen receptor signaling inhibitors (ASI, abiraterone or enzalutamide) than other therapies (HR=0.37 [0.22-0.61], p=0.0001) while the benefit of ASI was smaller and non-significant for PCa-GI high samples (HR=0.55 [0.29-1.1], p=0.07). A differential pathway analysis identified FOXA2 signaling to be upregulated PCa-GI high tumors (FDR = 3.7 × 10 −13 ). Conclusions The PCa-GI phenotype is prevalent in clinical mCRPC samples and may represent a distinct biological entity. PCa-GI tumors may respond less to ASI and could offer a strategy to study novel therapeutic targets.

Adult mammalian stem cells play critical roles in normal tissue homeostasis, as well as in tumor development, by contributing to cell heterogeneity, plasticity, and development of drug resistance. The relationship between different types of normal and cancer stem cells is highly controversial and poorly understood. Here, we carried out gene expression network analysis of normal and tumor samples from genetically heterogeneous mice to create network metagenes for visualization of stem-cell networks, rather than individual stem-cell markers, at the single-cell level during multistage carcinogenesis. We combined this approach with lineage tracing and single-cell RNASeq of stem cells and their progeny, identifying a previously unrecognized hierarchy in which Lgr6+ stem cells from tumors generate progeny that express a range of other stem-cell markers including Sox2, Pitx1, Foxa1, Klf5, and Cd44. Our data identify a convergence of multiple stem-cell and tumor-suppressor pathways in benign tumor cells expressing markers of lineage plasticity and oxidative stress. This same single-cell population expresses network metagenes corresponding to markers of cancer drug resistance in human tumors of the skin, lung and prostate. Treatment of mouse squamous carcinomas in vivo with the chemotherapeutic cis-platin resulted in elevated expression of the genes that mark this cell population. Our data have allowed us to create a simplified model of multistage carcinogenesis that identifies distinct stem-cell states at different stages of tumor progression, thereby identifying networks involved in lineage plasticity, drug resistance, and immune surveillance, providing a rich source of potential targets for cancer therapy.