Complex organisms require tissue-specific transcriptional programs, yet little is known about how these are established. The transcription factor FoxA1 is thought to contribute to gene regulation through its ability to act as a pioneer factor binding to nucleosomal DNA. Through genome-wide positional analyses, we demonstrate that FoxA1 cell type-specific functions rely primarily on differential recruitment to chromatin predominantly at distant enhancers rather than proximal promoters. This differential recruitment leads to cell type-specific changes in chromatin structure and functional collaboration with lineage-specific transcription factors. Despite the ability of FoxA1 to bind nucleosomes, its differential binding to chromatin sites is dependent on the distribution of histone H3 lysine 4 dimethylation. Together, our results suggest that methylation of histone H3 lysine 4 is part of the epigenetic signature that defines lineage-specific FoxA1 recruitment sites in chromatin. FoxA1 translates this epigenetic signature into changes in chromatin structure thereby establishing lineage-specific transcriptional enhancers and programs.

The evolution of prostate cancer from an androgen-dependent state to one that is androgen-independent marks its lethal progression. The androgen receptor (AR) is essential in both, though its function in androgen-independent cancers is poorly understood. We have defined the direct AR-dependent target genes in both androgen-dependent and -independent cancer cells by generating AR-dependent gene expression profiles and AR cistromes. In contrast to what is found in androgen-dependent cells, AR selectively upregulates M-phase cell-cycle genes in androgen-independent cells, including UBE2C, a gene that inactivates the M-phase checkpoint. We find that epigenetic marks at the UBE2C enhancer, notably histone H3K4 methylation and FoxA1 transcription factor binding, are present in androgen-independent cells and direct AR-enhancer binding and UBE2C activation. Thus, the role of AR in androgen-independent cancer cells is not to direct the androgen-dependent gene expression program without androgen, but rather to execute a distinct program resulting in androgen-independent growth.

Androgen receptor (AR) is a ligand-dependent transcription factor that plays a key role in prostate cancer. Little is known about the nature of AR cis-regulatory sites in the human genome. We have mapped the AR binding regions on two chromosomes in human prostate cancer cells by combining chromatin immunoprecipitation (ChIP) with tiled oligonucleotide microarrays. We find that the majority of AR binding regions contain noncanonical AR-responsive elements (AREs). Importantly, we identify a noncanonical ARE as a cis-regulatory target of AR action in TMPRSS2, a gene fused to ETS transcription factors in the majority of prostate cancers. In addition, through the presence of enriched DNA-binding motifs, we find other transcription factors including GATA2 and Oct1 that cooperate in mediating the androgen response. These collaborating factors, together with AR, form a regulatory hierarchy that governs androgen-dependent gene expression and prostate cancer growth and offer potential new opportunities for therapeutic intervention.

Myles Brown and colleagues analyze chromatin organization of androgen receptor-responsive transcriptional enhancers in a prostate cancer cell line. The authors develop a model to identify other genomic regions showing similar dynamic changes in chromatin structure, and identify other transcription factors that are involved in cellular responses to androgen. Chromatin plays a central role in eukaryotic gene regulation. We performed genome-wide mapping of epigenetically marked nucleosomes to determine their position both near transcription start sites and at distal regulatory elements, including enhancers. In prostate cancer cells, where androgen receptor binds primarily to enhancers, we found that androgen treatment dismisses a central nucleosome present at androgen receptor binding sites that is flanked by a pair of marked nucleosomes. A new quantitative model built on the behavior of such nucleosome pairs correctly identified regions bound by the regulators of the immediate androgen response, including androgen receptor and FOXA1. More importantly, this model also correctly predicted previously unidentified binding sites for other transcription factors present after prolonged androgen stimulation, including OCT1 and NKX3-1. Therefore, quantitative modeling of enhancer structure provides a powerful predictive method to infer the identity of transcription factors involved in cellular responses to specific stimuli.

Androgen receptor (AR) plays a critical role in the development and progression of prostate cancer, where it is a key therapeutic target. Here we report that, in contrast to estrogen receptor transcription complexes which form within minutes and recycle hourly, the levels of regulatory regions bound by AR complexes rise over a 16 hr period and then slowly decline. AR regulation of the prostate specific antigen (PSA) gene involves both a promoter-proximal sequence as well as an enhancer ∼4 kb upstream. Recruitment of AR and its essential coactivators at both sites creates a chromosomal loop that allows RNA polymerase II (pol II) to track from the enhancer to the promoter. Phosphorylation of the pol II C-terminal domain is required for pol II tracking but not chromosomal looping. Development of improved hormonal therapies for prostate cancer must take in account the specific spatial and temporal modes of AR-mediated gene regulation.

Tumor suppressors are mostly defined by inactivating mutations in tumors, yet little is known about their epigenetic features in normal cells. Through integrative analysis of 1,134 genome-wide epigenetic profiles, mutations from >8,200 tumor-normal pairs and our experimental data from clinical samples, we discovered broad peaks for trimethylation of histone H3 at lysine 4 (H3K4me3; wider than 4 kb) as the first epigenetic signature for tumor suppressors in normal cells. Broad H3K4me3 is associated with increased transcription elongation and enhancer activity, which together lead to exceptionally high gene expression, and is distinct from other broad epigenetic features, such as super-enhancers. Genes with broad H3K4me3 peaks conserved across normal cells may represent pan-cancer tumor suppressors, such as TP53 and PTEN, whereas genes with cell type-specific broad H3K4me3 peaks may represent cell identity genes and cell type-specific tumor suppressors. Furthermore, widespread shortening of broad H3K4me3 peaks in cancers is associated with repression of tumor suppressors. Thus, the broad H3K4me3 epigenetic signature provides mutation-independent information for the discovery and characterization of new tumor suppressors.

Abstract Androgen-dependent prostate cancer typically progresses to castration-resistant prostate cancer (CRPC) after the androgen deprivation therapy. MicroRNAs (miR) are noncoding small RNAs (19-25nt) that play an important role in the regulation of gene expression. Recent studies have shown that miR expression patterns are significantly different in normal and neoplastic prostate epithelial cells. However, the importance of miRs in the development of CRPC has not yet been explored. By performing genome-wide expression profiling of miRs, we found that expression levels of several miRs, in particular miR-221 and miR-222, were significantly increased in CRPC cells (the LNCaP-derived cell line LNCaP-Abl), compared with those in the androgen-dependent prostate cancer cell line (LNCaP). Overexpression of miR-221 or miR-222 in LNCaP or another androgen-dependent cell line, LAPC-4, significantly reduced the level of the dihydrotestosterone (DHT) induced up-regulation of prostate-specific antigen (PSA) expression and increased androgen-independent growth of LNCaP cells. Knocking down the expression level of miR-221 and miR-222 with antagonist miRs in the LNCaP-Abl cell line restored the response to the DHT induction of PSA transcription and also increased the growth response of the LNCaP-Abl cells to the androgen treatment. Changing the expression level of p27/kip1, a known target of miR-221 and miR-222, alone in LNCaP cells affected the DHT-independent cell growth but did not significantly influence the response of PSA transcription to the DHT treatment. In conclusion, our data suggest the involvement of miR-221 and miR-222 in the development or maintenance of the CRPC phenotype. [Cancer Res 2009;69(8):3356–63]

Fusion of the androgen receptor-regulated (AR-regulated) TMPRSS2 gene with ERG in prostate cancer (PCa) causes androgen-stimulated overexpression of ERG, an ETS transcription factor, but critical downstream effectors of ERG-mediating PCa development remain to be established. Expression of the SOX9 transcription factor correlated with TMPRSS2:ERG fusion in 3 independent PCa cohorts, and ERG-dependent expression of SOX9 was confirmed by RNAi in the fusion-positive VCaP cell line. SOX9 has been shown to mediate ductal morphogenesis in fetal prostate and maintain stem/progenitor cell pools in multiple adult tissues, and has also been linked to PCa and other cancers. SOX9 overexpression resulted in neoplasia in murine prostate and stimulated tumor invasion, similarly to ERG. Moreover, SOX9 depletion in VCaP cells markedly impaired invasion and growth in vitro and in vivo, establishing SOX9 as a critical downstream effector of ERG. Finally, we found that ERG regulated SOX9 indirectly by opening a cryptic AR-regulated enhancer in the SOX9 gene. Together, these results demonstrate that ERG redirects AR to a set of genes including SOX9 that are not normally androgen stimulated, and identify SOX9 as a critical downstream effector of ERG in TMPRSS2:ERG fusion–positive PCa.

ABSTRACT Acquired therapy resistance is a major problem for anticancer treatment, yet the underlying molecular mechanisms remain unclear. Using an established breast cancer cellular model for endocrine resistance, we show that hormone resistance is associated with enhanced phenotypic plasticity, indicated by a general downregulation of luminal/epithelial differentiation markers and upregulation of basal/mesenchymal invasive markers. Our extensive omics studies, including GRO-seq on enhancer landscapes, demonstrate that the global enhancer gain/loss reprogramming driven by the differential interactions between ERα and other oncogenic transcription factors (TFs), predominantly GATA3 and AP1, profoundly alters breast cancer transcriptional programs. Our functional studies in multiple biological systems including culture and xenograft models of MCF7 and T47D lines support a coordinate role of GATA3 and AP1 in enhancer reprogramming that promotes phenotypic plasticity and endocrine resistance. Collectively, our study implicates that changes in TF-TF and TF-enhancer interactions can lead to genome-wide enhancer reprogramming, resulting in transcriptional dysregulations that promote plasticity and cancer therapy-resistance progression.