Toward development of a precision medicine framework for metastatic, castration-resistant prostate cancer (mCRPC), we established a multi-institutional clinical sequencing infrastructure to conduct prospective whole-exome and transcriptome sequencing of bone or soft tissue tumor biopsies from a cohort of 150 mCRPC affected individuals. Aberrations of AR, ETS genes, TP53, and PTEN were frequent (40%–60% of cases), with TP53 and AR alterations enriched in mCRPC compared to primary prostate cancer. We identified new genomic alterations in PIK3CA/B, R-spondin, BRAF/RAF1, APC, β-catenin, and ZBTB16/PLZF. Moreover, aberrations of BRCA2, BRCA1, and ATM were observed at substantially higher frequencies (19.3% overall) compared to those in primary prostate cancers. 89% of affected individuals harbored a clinically actionable aberration, including 62.7% with aberrations in AR, 65% in other cancer-related genes, and 8% with actionable pathogenic germline alterations. This cohort study provides clinically actionable information that could impact treatment decisions for these affected individuals.

Progression of prostate cancer following castration is associated with increased androgen receptor (AR) expression and signaling despite AR blockade. Recent studies suggest that these activities are due to the generation of constitutively active AR splice variants, but the mechanisms by which these splice variants could mediate such effects are not fully understood. Here we have identified what we believe to be a novel human AR splice variant in which exons 5, 6, and 7 are deleted (ARv567es) and demonstrated that this variant can contribute to cancer progression in human prostate cancer xenograft models in mice following castration. We determined that, in human prostate cancer cell lines, ARv567es functioned as a constitutively active receptor, increased expression of full-length AR (ARfl), and enhanced the transcriptional activity of AR. In human xenografts, human prostate cancer cells transfected with ARv567es cDNA formed tumors that were resistant to castration. Furthermore, the ratio of ARv567es to ARfl expression within the xenografts positively correlated with resistance to castration. Importantly, we also detected ARv567es frequently in human prostate cancer metastases. In summary, these data indicate that constitutively active AR splice variants can contribute to the development of castration-resistant prostate cancers and may serve as biomarkers for patients who are likely to suffer from early recurrence and are candidates for therapies directly targeting the AR rather than ligand.

Androgen receptor (AR) signaling is a distinctive feature of prostate carcinoma (PC) and represents the major therapeutic target for treating metastatic prostate cancer (mPC). Though highly effective, AR antagonism can produce tumors that bypass a functional requirement for AR, often through neuroendocrine (NE) transdifferentiation. Through the molecular assessment of mPCs over two decades, we find a phenotypic shift has occurred in mPC with the emergence of an AR-null NE-null phenotype. These “double-negative” PCs are notable for elevated FGF and MAPK pathway activity, which can bypass AR dependence. Pharmacological inhibitors of MAPK or FGFR repressed the growth of double-negative PCs in vitro and in vivo. Our results indicate that FGF/MAPK blockade may be particularly efficacious against mPCs with an AR-null phenotype.

Abstract Purpose: Abiraterone is a potent inhibitor of the steroidogenic enzyme CYP17A1 and suppresses tumor growth in patients with castration-resistant prostate cancer (CRPC). The effectiveness of abiraterone in reducing tumor androgens is not known, nor have mechanisms contributing to abiraterone resistance been established. Experimental Design: We treated human CRPC xenografts with abiraterone and measured tumor growth, tissue androgens, androgen receptor (AR) levels, and steroidogenic gene expression versus controls. Results: Abiraterone suppressed serum PSA levels and improved survival in two distinct CRPC xenografts: median survival of LuCaP35CR improved from 17 to 39 days (HR = 3.6, P = 0.0014) and LuCaP23CR from 14 to 24 days (HR = 2.5, P = 0.0048). Abiraterone strongly suppressed tumor androgens, with testosterone (T) decreasing from 0.49 ± 0.22 to 0.03 ± 0.01 pg/mg (P < 0.0001), and from 0.69 ± 0.36 to 0.03 ± 0.01 pg/mg (P = 0.002) in abiraterone-treated 23CR and 35CR, respectively, with comparable decreases in tissue DHT. Treatment was associated with increased expression of full-length AR (ARFL) and truncated AR variants (ARFL 2.3-fold, P = 0.008 and ARdel567es 2.7-fold, P = 0.036 in 23 CR; ARFL 3.4-fold, P = 0.001 and ARV7 3.1-fold, P = 0.0003 in 35CR), and increased expression of the abiraterone target CYP17A1 (∼2.1-fold, P = 0.0001 and P = 0.028 in 23CR and 35CR, respectively) and transcript changes in other enzymes modulating steroid metabolism. Conclusions: These studies indicate that abiraterone reduces CRPC growth via suppression of intratumoral androgens and that resistance to abiraterone may occur through mechanisms that include upregulation of CYP17A1, and/or induction of AR and AR splice variants that confer ligand-independent AR transactivation. Clin Cancer Res; 17(18); 5913–25. ©2011 AACR.

Abstract Continued androgen receptor (AR) signaling is an established mechanism underlying castration-resistant prostate cancer (CRPC), and suppression of androgen receptor signaling remains a therapeutic goal of CRPC therapy. Constitutively active androgen receptor splice variants (AR-Vs) lack the androgen receptor ligand-binding domain (AR-LBD), the intended target of androgen deprivation therapies including CRPC therapies such as abiraterone and MDV3100. While the canonical full-length androgen receptor (AR-FL) and AR-Vs are both increased in CRPCs, their expression regulation, associated transcriptional programs, and functional relationships have not been dissected. In this study, we show that suppression of ligand-mediated AR-FL signaling by targeting AR-LBD leads to increased AR-V expression in two cell line models of CRPCs. Importantly, treatment-induced AR-Vs activated a distinct expression signature enriched for cell-cycle genes without requiring the presence of AR-FL. Conversely, activation of AR-FL signaling suppressed the AR-Vs signature and activated expression programs mainly associated with macromolecular synthesis, metabolism, and differentiation. In prostate cancer cells and CRPC xenografts treated with MDV3100 or abiraterone, increased expression of two constitutively active AR-Vs, AR-V7 and ARV567ES, but not AR-FL, paralleled increased expression of the androgen receptor–driven cell-cycle gene UBE2C. Expression of AR-V7, but not AR-FL, was positively correlated with UBE2C in clinical CRPC specimens. Together, our findings support an adaptive shift toward AR-V–mediated signaling in a subset of CRPC tumors as the AR-LBD is rendered inactive, suggesting an important mechanism contributing to drug resistance to CRPC therapy. Cancer Res; 72(14); 3457–62. ©2012 AACR.

Abstract Androgen deprivation therapy (ADT) remains the primary treatment for advanced prostate cancer. The efficacy of ADT has not been rigorously evaluated by demonstrating suppression of prostatic androgen activity at the target tissue and molecular level. We determined the efficacy and consistency of medical castration in suppressing prostatic androgen levels and androgen-regulated gene expression. Androgen levels and androgen-regulated gene expression (by microarray profiling, quantitative reverse transcription-PCR, and immunohistochemistry) were measured in prostate samples from a clinical trial of short-term castration (1 month) using the gonadotropin-releasing hormone antagonist, Acyline, versus placebo in healthy men. To assess the effects of long-term ADT, gene expression measurements were evaluated at baseline and after 3, 6, and 9 months of neoadjuvant ADT in prostatectomy samples from men with localized prostate cancer. Medical castration reduced tissue androgens by 75% and reduced the expression of several androgen-regulated genes (NDRG1, FKBP5, and TMPRSS2). However, many androgen-responsive genes, including the androgen receptor (AR) and prostate-specific antigen (PSA), were not suppressed after short-term castration or after 9 months of neoadjuvant ADT. Significant heterogeneity in PSA and AR protein expression was observed in prostate cancer samples at each time point of ADT. Medical castration based on serum testosterone levels cannot be equated with androgen ablation in the prostate microenvironment. Standard androgen deprivation does not consistently suppress androgen-dependent gene expression. Suboptimal suppression of tumoral androgen activity may lead to adaptive cellular changes allowing prostate cancer cell survival in a low androgen environment. Optimal clinical efficacy will require testing of novel approaches targeting complete suppression of systemic and intracrine contributions to the prostatic androgen microenvironment. [Cancer Res 2007;67(10):5033–41]

Abstract TMPRSS2 is an androgen-regulated cell-surface serine protease expressed predominantly in prostate epithelium. TMPRSS2 is expressed highly in localized high-grade prostate cancers and in the majority of human prostate cancer metastases. Through the generation of mouse models with a targeted deletion of Tmprss2, we demonstrate that the activity of this protease regulates cancer cell invasion and metastasis to distant organs. By screening combinatorial peptide libraries, we identified a spectrum of TMPRSS2 substrates that include pro-hepatocyte growth factor (HGF). HGF activated by TMPRSS2 promoted c-MET receptor tyrosine kinase signaling, and initiated a proinvasive epithelial-to-mesenchymal transition phenotype. Chemical library screens identified a potent bioavailable TMPRSS2 inhibitor that suppressed prostate cancer metastasis in vivo. Together, these findings provide a mechanistic link between androgen-regulated signaling programs and prostate cancer metastasis that operate via context-dependent interactions with extracellular constituents of the tumor microenvironment. Significance: The vast majority of prostate cancer deaths are due to metastasis. Loss of TMPRSS2 activity dramatically attenuated the metastatic phenotype through mechanisms involving the HGF–c-MET axis. Therapeutic approaches directed toward inhibiting TMPRSS2 may reduce the incidence or progression of metastasis in patients with prostate cancer. Cancer Discov; 4(11); 1310–25. ©2014 AACR. See related commentary by Rubin, p. 1262 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1243

Abstract Relapse of castration-resistant prostate cancer (CRPC) that occurs after androgen deprivation therapy of primary prostate cancer can be mediated by reactivation of the androgen receptor (AR). One important mechanism mediating this AR reactivation is intratumoral conversion of the weak adrenal androgens DHEA and androstenedione into the AR ligands testosterone and dihydrotestosterone. DHEA and androstenedione are synthesized by the adrenals through the sequential actions of the cytochrome P450 enzymes CYP11A1 and CYP17A1, so that CYP17A1 inhibitors such as abiraterone are effective therapies for CRPC. However, the significance of intratumoral CYP17A1 and de novo androgen synthesis from cholesterol in CRPC, and the mechanisms contributing to CYP17A1 inhibitor resistance/relapse, remain to be determined. We report that AR activity in castration-resistant VCaP tumor xenografts can be restored through CYP17A1-dependent de novo androgen synthesis, and that abiraterone treatment of these xenografts imposes selective pressure for increased intratumoral expression of CYP17A1, thereby generating a mechanism for development of resistance to CYP17A1 inhibitors. Supporting the clinical relevance of this mechanism, we found that intratumoral expression of CYP17A1 was markedly increased in tumor biopsies from CRPC patients after CYP17A1 inhibitor therapy. We further show that CRPC cells expressing a progesterone responsive T877A mutant AR are not CYP17A1 dependent, but that AR activity in these cells is still steroid dependent and mediated by upstream CYP11A1-dependent intraturmoral pregnenolone/progesterone synthesis. Together, our results indicate that CRPCs resistant to CYP17A1 inhibition may remain steroid dependent and therefore responsive to therapies that can further suppress de novo intratumoral steroid synthesis. Cancer Res; 71(20); 6503–13. ©2011 AACR.

Prostate safety is a primary concern when aging men receive testosterone replacement therapy (TRT), but little information is available regarding the effects of TRT on prostate tissue in men.To determine the effects of TRT on prostate tissue of aging men with low serum testosterone levels.Randomized, double-blind, placebo-controlled trial of 44 men, aged 44 to 78 years, with screening serum testosterone levels lower than 300 ng/dL (<10.4 nmol/L) and related symptoms, conducted at a US community-based research center between February 2003 and November 2004.Participants were randomly assigned to receive 150 mg of testosterone enanthate or matching placebo intramuscularly every 2 weeks for 6 months.The primary outcome measure was the 6-month change in prostate tissue androgen levels (testosterone and dihydrotestosterone). Secondary outcome measures included 6-month changes in prostate-related clinical features, histology, biomarkers, and epithelial cell gene expression.Of the 44 men randomized, 40 had prostate biopsies performed both at baseline and at 6 months and qualified for per-protocol analysis (TRT, n = 21; placebo, n = 19). Testosterone replacement therapy increased serum testosterone levels to the mid-normal range (median at baseline, 282 ng/dL [9.8 nmol/L]; median at 6 months, 640 ng/dL [22.2 nmol/L]) with no significant change in serum testosterone levels in matched, placebo-treated men. However, median prostate tissue levels of testosterone (0.91 ng/g) and dihydrotestosterone (6.79 ng/g) did not change significantly in the TRT group. No treatment-related change was observed in prostate histology, tissue biomarkers (androgen receptor, Ki-67, CD34), gene expression (including AR, PSA, PAP2A, VEGF, NXK3, CLU [Clusterin]), or cancer incidence or severity. Treatment-related changes in prostate volume, serum prostate-specific antigen, voiding symptoms, and urinary flow were minor.These preliminary data suggest that in aging men with late-onset hypogonadism, 6 months of TRT normalizes serum androgen levels but appears to have little effect on prostate tissue androgen levels and cellular functions. Establishment of prostate safety for large populations of older men undergoing longer duration of TRT requires further study. Trial Registration clinicaltrials.gov Identifier: NCT00161304.

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