Abstract Current treatments for castration-resistant prostate cancer (CRPC) that target androgen receptor (AR) signaling improve patient survival, yet ultimately fail. Here, we provide novel insights into treatment response for the antiandrogen abiraterone by analyses of a genetically engineered mouse (GEM) model with combined inactivation of Trp53 and Pten, which are frequently comutated in human CRPC. These NPp53 mice fail to respond to abiraterone and display accelerated progression to tumors resembling treatment-related CRPC with neuroendocrine differentiation (CRPC-NE) in humans. Cross-species computational analyses identify master regulators of adverse response that are conserved with human CRPC-NE, including the neural differentiation factor SOX11, which promotes neuroendocrine differentiation in cells derived from NPp53 tumors. Furthermore, abiraterone-treated NPp53 prostate tumors contain regions of focal and/or overt neuroendocrine differentiation, distinguished by their proliferative potential. Notably, lineage tracing in vivo provides definitive and quantitative evidence that focal and overt neuroendocrine regions arise by transdifferentiation of luminal adenocarcinoma cells. These findings underscore principal roles for TP53 and PTEN inactivation in abiraterone resistance and progression from adenocarcinoma to CRPC-NE by transdifferentiation. Significance: Understanding adverse treatment response and identifying patients likely to fail treatment represent fundamental clinical challenges. By integrating analyses of GEM models and human clinical data, we provide direct genetic evidence for transdifferentiation as a mechanism of drug resistance as well as for stratifying patients for treatment with antiandrogens. Cancer Discov; 7(7); 736–49. ©2017 AACR. See related commentary by Sinha and Nelson, p. 673. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 653

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 At present, prioritizing cancer treatments at the individual patient level remains challenging, and performing co-clinical studies using patient-derived models in real-time is often not feasible. To circumvent these challenges, we introduce OncoLoop, a precision medicine framework to predict and validate drug sensitivity in human tumors and their pre-existing high-fidelity ( cognate ) model(s) by leveraging perturbational profiles of clinically-relevant oncology drugs. As proof-of-concept, we applied OncoLoop to prostate cancer (PCa) using a series of genetically-engineered mouse models (GEMMs) that recapitulate a broad spectrum of disease states, including castration-resistant, metastatic, and neuroendocrine prostate cancer. Interrogation of published cohorts using Master Regulator (MR) conservation analysis revealed that most patients were represented by at least one cognate GEMM-derived tumor (GEMM-DT). Drugs predicted to invert MR activity in patients and their cognate GEMM-DTs were successfully validated, including in two cognate allografts and one cognate patient-derived xenograft (PDX). OncoLoop is a highly generalizable framework that can be extended to other cancers and potentially other diseases. Significance Statement OncoLoop is a transcriptomic-based experimental and computational framework that can support rapid-turnaround co-clinical studies to identify and validate drugs for individual patients, which can then be readily adapted to clinical practice. This framework should be applicable in many cancer contexts for which appropriate models and drug perturbation data are available.

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.