Prostate cancers are considered to be immunologically 'cold' tumors given the very few patients who respond to checkpoint inhibitor (CPI) therapy. Recently, enrichment of interferon-stimulated genes (ISGs) predicted a favorable response to CPI across various disease sites. The enhancer of zeste homolog-2 (EZH2) is overexpressed in prostate cancer and known to negatively regulate ISGs. In the present study, we demonstrate that EZH2 inhibition in prostate cancer models activates a double-stranded RNA-STING-ISG stress response upregulating genes involved in antigen presentation, Th1 chemokine signaling and interferon response, including programmed cell death protein 1 (PD-L1) that is dependent on STING activation. EZH2 inhibition substantially increased intratumoral trafficking of activated CD8+ T cells and increased M1 tumor-associated macrophages, overall reversing resistance to PD-1 CPI. Our study identifies EZH2 as a potent inhibitor of antitumor immunity and responsiveness to CPI. These data suggest EZH2 inhibition as a therapeutic direction to enhance prostate cancer response to PD-1 CPI.

Abstract Genome-wide association studies (GWAS) have identified more than 140 prostate cancer (PrCa) risk regions which provide potential insights into causal mechanisms. Multiple lines of evidence show that a significant proportion of PrCa risk can be explained by germline causal variants that dysregulate nearby target genes in prostate-relevant tissues thus altering disease risk. The traditional approach to explore this hypothesis has been correlating GWAS variants with steady-state transcript levels, referred to as expression quantitative trait loci (eQTLs). In this work, we assess the utility of chromosome conformation capture (3C) coupled with immunoprecipitation (HiChIP) to identify target genes for PrCa GWAS risk loci. We find that interactome data confirms previously reported PrCa target genes identified through GWAS/eQTL overlap (e.g., MLPH ). Interestingly, HiChIP identified links between PrCa GWAS variants and genes well-known to play a role in prostate cancer biology (e.g., AR ) that are not detected by eQTL-based methods. We validate these findings through CRISPR interference (CRISPRi) perturbation of the variant-containing regulatory elements for NKX3-1 and AR in the LNCaP cell line. Our results demonstrate that looping data harbor additional information beyond eQTLs and expand the number of PrCa GWAS loci that can be linked to candidate susceptibility genes.

Abstract Lineage plasticity, the ability of a cell to alter its identity, is an increasingly common mechanism of adaptive resistance to targeted therapy in cancer 1,2 . An archetypal example is the development of neuroendocrine prostate cancer (NEPC) after treatment of prostate adenocarcinoma (PRAD) with inhibitors of androgen signaling. NEPC is an aggressive variant of prostate cancer that aberrantly expresses genes characteristic of neuroendocrine (NE) tissues and no longer depends on androgens. To investigate the epigenomic basis of this resistance mechanism, we profiled histone modifications in NEPC and PRAD patient-derived xenografts (PDXs) using chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq). We identified a vast network of cis -regulatory elements (N~15,000) that are recurrently activated in NEPC. The FOXA1 transcription factor (TF), which pioneers androgen receptor (AR) chromatin binding in the prostate epithelium 3,4 , is reprogrammed to NE-specific regulatory elements in NEPC. Despite loss of dependence upon AR, NEPC maintains FOXA1 expression and requires FOXA1 for proliferation and expression of NE lineage-defining genes. Ectopic expression of the NE lineage TFs ASCL1 and NKX2-1 in PRAD cells reprograms FOXA1 to bind to NE regulatory elements and induces enhancer activity as evidenced by histone modifications at these sites. Our data establish the importance of FOXA1 in NEPC and provide a principled approach to identifying novel cancer dependencies through epigenomic profiling.

Renal cell carcinoma with sarcomatoid differentiation (sRCC) is associated with poor survival and a heightened response to immune checkpoint inhibitors (ICIs). Two major barriers to improving outcomes for sRCC are the limited understanding of its gene regulatory programs and the low diagnostic yield of tumor biopsies due to spatial heterogeneity. Herein, we characterized the epigenomic landscape of sRCC by profiling 107 epigenomic libraries from tissue and plasma samples from 50 patients with RCC and healthy volunteers. By profiling histone modifications and DNA methylation, we identified highly recurrent epigenomic reprogramming enriched in sRCC. Furthermore, CRISPRa experiments implicated the transcription factor FOSL1 in activating sRCC-associated gene regulatory programs, and FOSL1 expression was associated with the response to ICIs in RCC in two randomized clinical trials. Finally, we established a blood-based diagnostic approach using detectable sRCC epigenomic signatures in patient plasma, providing a framework for discovering epigenomic correlates of tumor histology via liquid biopsy.

ABSTRACT Advanced prostate cancers comprise distinct phenotypes, but tumor classification remains clinically challenging. Here, we harnessed circulating tumor DNA (ctDNA) to study tumor phenotypes by ascertaining nucleosome positioning patterns associated with transcription regulation. We sequenced plasma ctDNA whole genomes from patient-derived xenografts representing a spectrum of androgen receptor active (ARPC) and neuroendocrine (NEPC) prostate cancers. Nucleosome patterns associated with transcriptional activity were reflected in ctDNA at regions of genes, promoters, histone modifications, transcription factor binding, and accessible chromatin. We identified the activity of key phenotype-defining transcriptional regulators from ctDNA, including AR, ASCL1, HOXB13, HNF4G, and NR3C1. Using these features, we designed a prediction model which distinguished NEPC from ARPC in patient plasma samples across three clinical cohorts with 97-100% sensitivity and 85-100% specificity. While phenotype classification is typically assessed by immunohistochemistry or transcriptome profiling, we demonstrate that ctDNA provides comparable results with numerous diagnostic advantages for precision oncology. STATEMENT OF SIGNIFICANCE This study provides key insights into the dynamics of nucleosome positioning and gene regulation associated with cancer phenotypes that can be ascertained from ctDNA. The new methods established for phenotype classification extend the utility of ctDNA beyond assessments of DNA alterations with important implications for molecular diagnostics and precision oncology.

Abstract Metastatic castration resistant prostate cancers (mCRPC) are treated with therapies that antagonize the androgen receptor (AR). Nearly all patients develop resistance to AR-targeted therapies (ART). Our previous work identified CREB5 as an upregulated target gene in human mCRPC that promoted resistance to all clinically-approved ART. The mechanisms by which CREB5 promotes progression of mCRPC or other cancers remains elusive. Integrating ChIP-seq and rapid immunoprecipitation and mass spectroscopy of endogenous proteins (RIME), we report that cells overexpressing CREB5 demonstrate extensive reprogramming of nuclear protein-protein interactions in response to the ART agent enzalutamide. Specifically, CREB5 physically interacts with AR, the pioneering actor FOXA1, and other known co-factors of AR and FOXA1 at transcription regulatory elements recently found to be active in mCRPC patients. We identified a subset of CREB5/FOXA1 co-interacting nuclear factors that have critical functions for AR transcription (GRHL2, HOXB13) while others (TBX3, NFIC) regulated cell viability and ART resistance and were amplified or overexpressed in mCRPC. Upon examining the nuclear protein interactions and the impact of CREB5 expression on the mCRPC patient transcriptome, we found CREB5 was associated with TGFβ and Wnt signaling and epithelial to mesenchymal transitions, implicating these pathways in ART resistance. Overall, these observations define the molecular interactions among CREB5, FOXA1, and pathways that promote ART resistance.

ABSTRACT HOXB13, a homeodomain transcription factor, critically regulates androgen receptor (AR) function and promotes androgen-dependent prostate cancer (PCa) growth. However, the functions of HOXB13 in an AR-independent context remain elusive. Here we report an essential role of HOXB13 in directly suppressing lipogenic transcriptional programs in both AR-positive and -negative PCa cells. The MEIS domain (aa70-150) of HOXB13 interacts with the histone deacetylase HDAC3, which is disrupted by HOXB13 G84E mutation that has been associated with early-onset PCa. Thus, HOXB13 wildtype (WT), but not G84E mutant, recruits HDAC3 to lipogenic enhancers to catalyze histone de-acetylation and suppress lipogenic programs. HOXB13 knockdown unleashes the expression of key lipogenic regulators such as fatty acid synthase (FASN), requiring HDAC3. Analysis of human tissues revealed that HOXB13 is lost in about 30% of metastatic castration-resistant PCa, at least in part, through DNA hypermethylation. Functionally, loss of HOXB13 leads to massive lipid accumulation in PCa cells, thereby promoting cell motility in vitro and fueling xenograft tumor metastasis in vivo , which is mitigated by pharmaceutical inhibitors of FASN. In summary, our study discovers an essential AR-independent function of HOXB13 in repressing de novo lipogenesis and inhibiting tumor metastasis and defines a subclass of PCa that may benefit from lipogenic pathway inhibitors.

ABSTRACT Androgen receptor (AR) signaling is the central driver of prostate cancer across disease states. While androgen deprivation therapy (ADT) is effective in the initial treatment of prostate cancer, resistance to ADT or to next-generation androgen pathway inhibitors invariably arises, most commonly through re-activation of the AR axis. Thus, orthogonal approaches to inhibit AR signaling in advanced prostate cancer are essential. Here, via genome-scale CRISPR/Cas9 screening, we identify protein arginine methyltransferase 1 (PRMT1) as a critical mediator of AR expression and signaling. PRMT1 regulates recruitment of AR to genomic target sites and inhibition of PRMT1 impairs AR binding at lineage-specific enhancers, leading to decreased expression of key oncogenes, including AR itself. Additionally, AR-driven prostate cancer cells are uniquely susceptible to combined AR and PRMT1 inhibition. Our findings implicate PRMT1 as a key regulator of AR output and provide a preclinical framework for co-targeting of AR and PRMT1 in advanced prostate cancer.

Prostate cancers are considered immunologically cold tumors given the very few patients who respond to checkpoint inhibitor therapy (CPI). Recently, enrichment of interferon (IFN) response genes predicts a favorable response to CPI across various disease sites. The enhancer of zeste homolog-2 (EZH2) is over-expressed in prostate cancer and is known to negatively regulate IFN response genes. Here, we demonstrate that inhibition of EZH2 catalytic activity in prostate cancer models derepresses expression of double-strand RNA (dsRNA), associated with upregulation of genes involved in antigen presentation, Th-1 chemokine signaling, and interferon (IFN) response, including PD-L1. Similarly, application of a novel EZH2 derived gene signature to human prostate sample analysis indicated an inverse correlation between tumor EZH2 activity/expression with T-cell inflamed and IFN gene signatures and PD-L1 expression. EZH2 inhibition combined with PD-1 CPI significantly enhances anti-tumor response that is dependent on up-regulation of tumor PD-L1 expression. Further, combination therapy significantly increases intratumoral trafficking of activated CD8+ T-cells and M1 tumor associated macrophages (TAMs) with concurrent loss of M2 TAMs. Our study identifies EZH2 as a potent inhibitor of antitumor immunity and responsiveness to CPI. This data suggests EZH2 inhibition as a novel therapeutic direction to enhance prostate cancer response to PD-1 CPI.

Abstract The vast majority of disease-associated single nucleotide polymorphisms identified from genome-wide association study (GWAS) are localized in non-coding regions. A significant fraction of these variants impact transcription factors binding to enhancer elements and alter gene expression. To functionally interrogate the activity of such variants we developed snpSTARRseq, a high-throughput experimental method that can interrogate the functional impact of hundreds to thousands of non-coding variants on enhancer activity. snpSTARRseq dramatically improves signal-to-noise by utilizing a novel sequencing and bioinformatic approach that increases both insert size and number of variants tested per loci. Using this strategy, we interrogated 70 of 140 known prostate cancer (PCa) risk-associated loci and demonstrated that 26 (37%) of them harbor 36 SNPs that significantly altered enhancer activity. Combining these results with chromosomal looping data we could identify interacting genes and provide a mechanism of action for 20 PCa GWAS risk regions. When benchmarked to orthogonal methods, snpSTARRseq showed a strong correlation with in vivo experimental allelic-imbalance studies whereas there was no correlation with predictive in silico approaches. Overall, snpSTARRseq provides an integrated experimental and computational framework to functionally test non-coding genetic variants.