Exome sequencing is used to investigate the role of mutations and copy number aberrations in metastatic castration-resistant prostate cancer, revealing recurrent mutations in multiple chromatin/histone modifying genes, as well as genes involved in androgen signalling. Great strides have been made in the treatment of localized prostate cancer, but the metastatic disease and its progression to castration-resistant prostate cancer (CRPC) are commonly lethal. This study uses whole-exome sequencing of 132 samples comprising tumour and matched germ line from 50 patients with heavily treated CRPC, and 11 untreated high-grade localized prostate cancers. Although the overall mutation rate is low, the authors find recurrent mutations in multiple chromatin/histone-modifying genes, as well as in the gene encoding the androgen receptor. They identify a diverse series of potentially driving mutations and copy-number alterations in both known and novel genes and pathways, including FOXA1. Characterization of the prostate cancer transcriptome and genome has identified chromosomal rearrangements and copy number gains and losses, including ETS gene family fusions, PTEN loss and androgen receptor (AR) amplification, which drive prostate cancer development and progression to lethal, metastatic castration-resistant prostate cancer (CRPC)1. However, less is known about the role of mutations2,3,4. Here we sequenced the exomes of 50 lethal, heavily pre-treated metastatic CRPCs obtained at rapid autopsy (including three different foci from the same patient) and 11 treatment-naive, high-grade localized prostate cancers. We identified low overall mutation rates even in heavily treated CRPCs (2.00 per megabase) and confirmed the monoclonal origin of lethal CRPC. Integrating exome copy number analysis identified disruptions of CHD1 that define a subtype of ETS gene family fusion-negative prostate cancer. Similarly, we demonstrate that ETS2, which is deleted in approximately one-third of CRPCs (commonly through TMPRSS2:ERG fusions), is also deregulated through mutation. Furthermore, we identified recurrent mutations in multiple chromatin- and histone-modifying genes, including MLL2 (mutated in 8.6% of prostate cancers), and demonstrate interaction of the MLL complex with the AR, which is required for AR-mediated signalling. We also identified novel recurrent mutations in the AR collaborating factor FOXA1, which is mutated in 5 of 147 (3.4%) prostate cancers (both untreated localized prostate cancer and CRPC), and showed that mutated FOXA1 represses androgen signalling and increases tumour growth. Proteins that physically interact with the AR, such as the ERG gene fusion product, FOXA1, MLL2, UTX (also known as KDM6A) and ASXL1 were found to be mutated in CRPC. In summary, we describe the mutational landscape of a heavily treated metastatic cancer, identify novel mechanisms of AR signalling deregulated in prostate cancer, and prioritize candidates for future study.

Enhancer of zeste homolog 2 (EZH2) is a mammalian histone methyltransferase that contributes to the epigenetic silencing of target genes and regulates the survival and metastasis of cancer cells. EZH2 is overexpressed in aggressive solid tumors by mechanisms that remain unclear. Here we show that the expression and function of EZH2 in cancer cell lines are inhibited by microRNA-101 (miR-101). Analysis of human prostate tumors revealed that miR-101 expression decreases during cancer progression, paralleling an increase in EZH2 expression. One or both of the two genomic loci encoding miR-101 were somatically lost in 37.5% of clinically localized prostate cancer cells (6 of 16) and 66.7% of metastatic disease cells (22 of 33). We propose that the genomic loss of miR-101 in cancer leads to overexpression of EZH2 and concomitant dysregulation of epigenetic pathways, resulting in cancer progression.

Abstract Through a prospective clinical sequencing program for advanced cancers, four index cases were identified which harbor gene rearrangements of FGFR2, including patients with cholangiocarcinoma, breast cancer, and prostate cancer. After extending our assessment of FGFR rearrangements across multiple tumor cohorts, we identified additional FGFR fusions with intact kinase domains in lung squamous cell cancer, bladder cancer, thyroid cancer, oral cancer, glioblastoma, and head and neck squamous cell cancer. All FGFR fusion partners tested exhibit oligomerization capability, suggesting a shared mode of kinase activation. Overexpression of FGFR fusion proteins induced cell proliferation. Two bladder cancer cell lines that harbor FGFR3 fusion proteins exhibited enhanced susceptibility to pharmacologic inhibition in vitro and in vivo. Because of the combinatorial possibilities of FGFR family fusion to a variety of oligomerization partners, clinical sequencing efforts, which incorporate transcriptome analysis for gene fusions, are poised to identify rare, targetable FGFR fusions across diverse cancer types. Significance: High-throughput sequencing technologies facilitate defining the mutational landscape of human cancers, which will lead to more precise treatment of patients with cancer. Here, through integrative sequencing efforts, we identified a variety of FGFR gene fusions in a spectrum of human cancers. FGFR fusions are active kinases. Cells harboring FGFR fusions showed enhanced sensitivity to the FGFR inhibitors PD173074 and pazopanib, suggesting that patients with cancer with FGFR fusions may benefit from targeted FGFR kinase inhibition. Cancer Discov; 3(6); 636–47. ©2013 AACR. See related commentary by Sabnis and Bivona, p. 607 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 591

Using pair-end transcriptome sequencing, this study provides the identification of Raf pathway gene rearrangements in a small proportion of prostate and gastric cancers and in melanomas. The fusion proteins show tumorigenic potential and represent a unique activating alteration of this oncogenic pathway, which seems to be mutually exclusive from known cancer-associated Raf mutations. This suggests that therapeutic Raf inhibition can be expanded to this fusion-harboring subset of solid tumors. Although recurrent gene fusions involving erythroblastosis virus E26 transformation-specific (ETS) family transcription factors are common in prostate cancer, their products are considered 'undruggable' by conventional approaches. Recently, rare targetable gene fusions involving the anaplastic lymphoma receptor tyrosine kinase (ALK) gene, have been identified in 1–5% of lung cancers1, suggesting that similar rare gene fusions may occur in other common epithelial cancers, including prostate cancer. Here we used paired-end transcriptome sequencing to screen ETS rearrangement–negative prostate cancers for targetable gene fusions and identified the SLC45A3-BRAF (solute carrier family 45, member 3–v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1) and ESRP1-RAF1 (epithelial splicing regulatory protein-1–v-raf-1 murine leukemia viral oncogene homolog-1) gene fusions. Expression of SLC45A3-BRAF or ESRP1-RAF1 in prostate cells induced a neoplastic phenotype that was sensitive to RAF and mitogen-activated protein kinase kinase (MAP2K1) inhibitors. Screening a large cohort of patients, we found that, although rare, recurrent rearrangements in the RAF pathway tend to occur in advanced prostate cancers, gastric cancers and melanoma. Taken together, our results emphasize the key role of RAF family gene rearrangements in cancer, suggest that RAF and MEK inhibitors may be useful in a subset of gene fusion–harboring solid tumors and demonstrate that sequencing of tumor transcriptomes and genomes may lead to the identification of rare targetable fusions across cancer types.

Abstract The Serine Peptidase Inhibitor, Kazal type 1 (SPINK1) overexpression represents ~10-25% of the prostate cancer (PCa) cases associated with shorter recurrence-free survival and poor prognosis. Nonetheless, androgen-deprivation therapy (ADT) remains the mainstay treatment for locally advanced and metastatic PCa patients. However, majority of these individuals eventually progress to castration-resistant stage, and a subset of these patients develop ADT-induced neuroendocrine PCa. Despite adverse effects of ADT, possible role of androgen signaling in SPINK1-mediated prostate oncogenesis remains unexplored. Here, we show that androgen receptor (AR) and its corepressor, the RE1-silencing transcription factor (REST), occupy SPINK1 promoter and functions as a direct transcriptional repressor of SPINK1 , thus blocking AR signaling via ADT relieves its repression, leading to SPINK1 upregulation. In agreement, an inverse association between SPINK1 levels and AR expression was observed across multiple PCa cohorts, and in neuroendocrine differentiated cells. While, lineage reprogramming factor SOX2 in turn binds to SPINK1 promoter leading to its transactivation in androgen-deprived conditions with concomitant increase in neuroendocrine markers. Additionally, we also confirm the role of SPINK1 in epithelial-mesenchymal transition, drug resistance, stemness and cellular plasticity. Moreover, we show that Casein Kinase 1 inhibitor stabilizes the REST levels, which in cooperation with AR, conjures transcriptional repression of SPINK1 expression, and impedes SPINK1-mediated oncogenesis. Collectively, our findings provide a plausible explanation to the paradoxical clinical outcomes of ADT, possibly due to increased SPINK1 levels. This study highlights the need to take a well-informed decision prior to ADT and develop alternative therapeutic strategies for castrate-resistant PCa patients.

Abstract Nearly half of the prostate cancer (PCa) cases show elevated levels of ERG oncoprotein due to TMPRSS2-ERG gene fusion. Here, we demonstrate ERG mediated upregulation of Distal-less homeobox-1 (DLX1), an established PCa biomarker. Using series of functional assays, we show DLX1 elicits oncogenic properties in prostate epithelial cells, and abrogating its function leads to reduced tumor burden in mouse xenografts. Clinically, ∼60% of the PCa patients exhibit high DLX1 levels, while ∼50% of these cases also harbor elevated ERG associated with aggressive disease and poor survival probability. Mechanistically, we show that ERG gets recruited onto DLX1 promoter and interacts with its enhancer-bound androgen receptor (AR) and FOXA1 to regulate DLX1 expression in TMPRSS2-ERG positive cases. Alternatively, in ERG-negative cases, DLX1 is regulated by AR/AR-V7 and FOXA1. Importantly, BET bromodomain inhibitors disrupt the transcriptional regulators of DLX1 and its associated oncogenic properties, signifying their efficacy in treatment of DLX1-positive PCa patients.

Abstract Genetic variations among individuals within a population, or host genetics, determine disease susceptibility or resistance. Here we show that heterozygosity of hsrω , a gene coding for a long noncoding architectural RNA (arcRNA), displays cancer susceptibility in Drosophila. Imaginal epithelia mutant for a null allele of hsrω, hsrω 66 exhibits chronic stress, marked by loss of growth and proteostasis, besides cell death. Imaginal epithelia of larvae heterozygous for hsrω 66 also show cellular stress, but conditionally: for instance, upon heat shock. Somatic clones displaying loss of Lgl tumor suppressor in such stress-sensitive imaginal epithelia of hsrω 66 heterozygotes develop into metastatic tumors, unlike those induced in wild type epithelia wherein these are eliminated by intrinsic tumor suppression. Further, cell-autonomous gain or loss of hsrω in lgl mutant clones, too, results in their tumor progression. Finally, we note a transcriptional increase in human sat III arcRNA, a functional analog of Drosophila hsrω, in cancer cell lines. Loss of sat III decreases the viability of cancer cells under stress. Our findings suggest pervasive roles of arcRNA-coding genes as host genetic modifiers of cancer via their regulation of cell homeostasis. Summary statement Heterozygosity for hsrω, a gene coding for a long noncoding architectural RNA in Drosophila, induces hypersensitivity to physiological stress and promotes cancer progression in oncogenically targeted cells.

Poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi) have emerged as the most promising targeted therapeutic intervention for the treatment of metastatic castrate-resistant prostate cancer (mCRPC). However, the clinical utility of PARPi has been limited to a subset of patients who harbor aberrations in the homologous recombination (HR) pathway. Here, we report that targeting MALAT1, an oncogenic lncRNA, known to be elevated in advanced-stage prostate cancer (PCa) demonstrates contextual synthetic lethality with PARPi. We show that MALAT1 silencing reprograms the HR transcriptome, contriving BRCAness-like phenotype, thus enhancing sensitivity towards PARPi. Moreover, transcriptome profiles of mCRPC patients exhibit convergence between expression of MALAT1, HR pathway, and neuroendocrine markers. Mechanistically, we show that targeting MALAT1 leads to a decrease in EZH2, a member of polycomb repressor complex-2 (PRC2), which in turn upregulates the expression of RE1 Silencing Transcription Factor (REST), a key repressor of neuroendocrine differentiation. Overall, we showed that MALAT1 plays a pivotal role in maintaining genomic integrity, thereby promoting disease progression. Conclusively, our findings suggest that inhibiting MALAT1 confers PARPi sensitization in patient's resistant to anti-androgens and conventional chemotherapeutics.

Serine Peptidase Inhibitor, Kazal type-1 (SPINK1) overexpression defines the second largest subtype of prostate cancer (PCa), however, molecular mechanisms underlying its upregulation remains poorly understood. Here, we identified a critical role of miRNA-338-5p and miRNA-421 in post-transcriptional regulation of SPINK1. We show that SPINK1-positive PCa patients also exhibit overexpression of Polycomb group member EZH2, which confers repressive trimethylation marks on lysine 27 of histone 3 (H3K27me3) on the regulatory regions of these miRNAs. Further, we demonstrate that oncogenic lncRNA MALAT1 interacts with EZH2, which in turn are targeted by miRNA-338-5p/miRNA-421, thus reinforcing a repressive molecular circuitry. Moreover, ectopic expression of miRNA-338-5p/-421 in SPINK1-positive PCa cells abrogate oncogenic properties including EMT, stemness and drug resistance, resulting in reduced tumor growth and distant metastases in mice. Collectively, we show that restoring miRNA-338-5p/miRNA-421 expression using epigenetic drugs or synthetic miRNA mimics could serve as a potential adjuvant therapy for treatment of SPINK1-positive malignancies.

Abstract Elevated Serine Peptidase Inhibitor, Kazal type 1 (SPINK1) levels in ∼10-25% of prostate cancer (PCa) patients associate with aggressive phenotype, for which there are limited treatment choices and dismal clinical outcomes. Using an integrative proteomics approach involving label-free phosphoproteome and proteome profiling, we delineated the downstream signaling pathways involved in SPINK1-mediated tumorigenesis in PCa, and identified tyrosine kinase KIT as a highly enriched kinase. Furthermore, high to moderate levels of KIT expression was detected in ∼85% of SPINK1-positive PCa specimens. KIT signaling regulates SPINK1-associated oncogenesis, and treatment with KIT inhibitor reduces tumor growth and distant metastases in preclinical mice models. Mechanistically, KIT signaling modulates WNT/β-catenin pathway and confers stemness-related features in PCa. Notably, inhibiting KIT signaling restores AR/REST levels, forming a feedback loop enabling SPINK1 repression. Overall, we uncover the role of KIT signaling downstream of SPINK1 in maintaining lineage plasticity and provide new treatment modalities for advanced-stage SPINK1-positive subtype.