Abstract Sarcomatoid and rhabdoid (S/R) renal cell carcinoma (RCC) are highly aggressive tumors with limited molecular and clinical characterization. Emerging evidence suggests immune checkpoint inhibitors (ICI) are particularly effective for these tumors 1–3 , although the biological basis for this property is largely unknown. Here, we evaluate multiple clinical trial and real-world cohorts of S/R RCC to characterize their molecular features, clinical outcomes, and immunologic characteristics. We find that S/R RCC tumors harbor distinctive molecular features that may account for their aggressive behavior, including BAP1 mutations, CDKN2A deletions, and increased expression of MYC transcriptional programs. We show that these tumors are highly responsive to ICI and that they exhibit an immune-inflamed phenotype characterized by immune activation, increased cytotoxic immune infiltration, upregulation of antigen presentation machinery genes, and PD-L1 expression. Our findings shed light on the molecular drivers of aggressivity and responsiveness to immune checkpoint inhibitors of S/R RCC tumors.

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 Purpose: Histologic transformation to small cell lung cancer (SCLC) is a mechanism of treatment resistance in patients with advanced oncogene-driven lung adenocarcinoma (LUAD) that currently requires histologic review for diagnosis. Herein, we sought to develop an epigenomic cell-free (cf)DNA-based approach to non-invasively detect small cell transformation in patients with EGFR mutant (EGFRm) LUAD. Experimental Design: To characterize the epigenomic landscape of transformed (t)SCLC relative to LUAD and de novo SCLC, we performed chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) to profile the histone modifications H3K27ac, H3K4me3, and H3K27me3, methylated DNA immunoprecipitation sequencing (MeDIP-seq), assay for transposase-accessible chromatin sequencing (ATAC-seq), and RNA sequencing on 26 lung cancer patient-derived xenograft (PDX) tumors. We then generated and analyzed H3K27ac ChIP-seq, MeDIP-seq, and whole genome sequencing cfDNA data from 1 ml aliquots of plasma from patients with EGFRm LUAD with or without tSCLC. Results: Analysis of 126 epigenomic libraries from the lung cancer PDXs revealed widespread epigenomic reprogramming between LUAD and tSCLC, with a large number of differential H3K27ac (n=24,424), DNA methylation (n=3,298), and chromatin accessibility (n=16,352) sites between the two histologies. Tumor-informed analysis of each of these three epigenomic features in cfDNA resulted in accurate non-invasive discrimination between patients with EGFRm LUAD versus tSCLC (AUROC=0.82-0.87). A multi-analyte cfDNA-based classifier integrating these three epigenomic features discriminated between EGFRm LUAD versus tSCLC with an AUROC of 0.94. Conclusions: These data demonstrate the feasibility of detecting small cell transformation in patients with EGFRm LUAD through epigenomic cfDNA profiling of 1 ml of patient plasma.

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 Background Androgen deprivation therapy (ADT) in prostate cancer (PCa) has been associated with development of insulin resistance. However, the predominant site of insulin resistance remains unclear. Methods The ADT & Metabolism Study was a single‐center, 24‐week, prospective observational study that enrolled ADT‐naive men without diabetes who were starting ADT for at least 24 weeks (ADT group, n = 42). The control group comprised men without diabetes with prior history of PCa who were in remission after prostatectomy (non‐ADT group, n = 23). Prevalent diabetes mellitus was excluded in both groups using all three laboratory criteria defined in the American Diabetes Association guidelines. All participants were eugonadal at enrollment. The primary outcome was to elucidate the predominant site of insulin resistance (liver or skeletal muscle). Secondary outcomes included assessments of body composition, and hepatic and intramyocellular fat. Outcomes were assessed at baseline, 12, and 24 weeks. Results At 24 weeks, there was no change in hepatic (1.2; 95% confidence interval [CI], −2.10 to 4.43; p = .47) or skeletal muscle (−3.2; 95% CI, −7.07 to 0.66; p = .10) insulin resistance in the ADT group. No increase in hepatic or intramyocellular fat deposition or worsening of glucose was seen. These changes were mirrored by those observed in the non‐ADT group. Men undergoing ADT gained 3.7 kg of fat mass. Conclusions In men with PCa and no diabetes, 24 weeks of ADT did not change insulin resistance despite adverse body composition changes. These findings should be reassuring for treating physicians and for patients who are being considered for short‐term ADT.

Abstract Background Translocation renal cell carcinoma (tRCC) is an aggressive subtype of kidney cancer usually driven by a fusion involving the TFE3 gene. Due to histologic overlap with other subtypes of RCC, tRCC is frequently misclassified. Methods for accurate diagnosis and detection of this molecularly distinct entity are therefore a pressing need. Epigenomic profiling of ctDNA via plasma chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq) has recently emerged as a powerful tool to detect and molecularly subtype cancers and may offer a more sensitive and specific detection of molecular fusions. We aimed to detect tRCC in plasma and to discriminate tRCC from ccRCC based on epigenomic profiling of cfDNA. Methods We first identified differentially expressed gene, methylated regions (DMRs) and regulatory elements (REs) specific to tRCC vs. ccRCC via RNA-seq, methylated DNA immunoprecipitation sequencing (MeDIP-seq) and ChIP-Seq, of 4 tRCC and 5 ccRCC cell lines. We collected 16 plasma samples from metastatic patients with tRCC, 11 with ccRCC and 9 healthy patients (HP). Ultra low pass whole genome sequencing (ulpWGS) was performed to infer ctDNA fraction (TF), and cfMeDIP-seq, H3K4me3/H3K27ac cfChIP-seq for epigenomic profiling. Signal at tRCC-specific regions derived from cell lines profiling was aggregated for each mark and normalized to common active REs and DMRs, then compared between classes using a Wilcoxon rank-sum test. Classification performance was evaluated using the area under the receiver operating characteristic (AUROC) curve. Results Overall 8/16 tRCC and 5/12 ccRCC samples had >3% TF by ulpWGS. H3K4me3 and H3K27ac cfChIP-seq signal was significantly higher in all tRCC samples compared to healthy patients (p<10-6, AUROC =1), at tRCC-specific promoters and tRCC-specific REs respectively. Furthermore, H3K27ac signal in plasma was also significantly higher at tRCC-specific REs in tRCC samples compared to ccRCC (p<10-4, AUROC=0.95). MeDIP-seq could not discriminate between tRCC and ccRCC. Conclusions Although a majority of tRCC plasma samples profiled had TF < 3%, all could be distinguished from healthy samples on the basis of cfChIP. H3K27ac cfChIP-Seq was also discriminatory for tRCC vs. ccRCC. Epigenomic profiling of cfDNA appears as a powerful tool for both detection of tRCC and discrimination from ccRCC/healthy plasma, with potential implications for diagnosis and guiding therapy.