Abstract A major hurdle in the study of rare tumors is a lack of existing preclinical models. Neuroendocrine prostate cancer is an uncommon and aggressive histologic variant of prostate cancer that may arise de novo or as a mechanism of treatment resistance in patients with pre-existing castration-resistant prostate cancer. There are few available models to study neuroendocrine prostate cancer. Here, we report the generation and characterization of tumor organoids derived from needle biopsies of metastatic lesions from four patients. We demonstrate genomic, transcriptomic, and epigenomic concordance between organoids and their corresponding patient tumors. We utilize these organoids to understand the biologic role of the epigenetic modifier EZH2 in driving molecular programs associated with neuroendocrine prostate cancer progression. High-throughput organoid drug screening nominated single agents and drug combinations suggesting repurposing opportunities. This proof of principle study represents a strategy for the study of rare cancer phenotypes.

Neuroendocrine prostate cancer (NEPC), a lethal form of the disease, is characterized by loss of androgen receptor (AR) signaling during neuroendocrine transdifferentiation, which results in resistance to AR-targeted therapy. Clinically, genomically and epigenetically, NEPC resembles other types of poorly differentiated neuroendocrine tumors (NETs). Through pan-NET analyses, we identified ONECUT2 as a candidate master transcriptional regulator of poorly differentiated NETs. ONECUT2 ectopic expression in prostate adenocarcinoma synergizes with hypoxia to suppress androgen signaling and induce neuroendocrine plasticity. ONEUCT2 drives tumor aggressiveness in NEPC, partially through regulating hypoxia signaling and tumor hypoxia. Specifically, ONECUT2 activates SMAD3, which regulates hypoxia signaling through modulating HIF1α chromatin-binding, leading NEPC to exhibit higher degrees of hypoxia compared to prostate adenocarcinomas. Treatment with hypoxia-activated prodrug TH-302 potently reduces NEPC tumor growth. Collectively, these results highlight the synergy between ONECUT2 and hypoxia in driving NEPC, and emphasize the potential of hypoxia-directed therapy for NEPC patients.

Abstract The molecular characteristics of metastatic upper tract urothelial carcinoma (UTUC) are unknown. The genomic and transcriptomic differences between primary and metastatic UTUC is not well described either. We combined whole-exome sequencing, RNA-sequencing, and Imaging Mass Cytometry ™ (IMC ™ ) of 44 tumor samples from 28 patients with high-grade primary and metastatic UTUC. IMC enables spatially resolved single-cell analyses to examine the evolution of cancer cell, immune cell, and stromal cell markers using mass cytometry with lanthanide metal-conjugated antibodies. We discovered that actionable genomic alterations are frequently discordant between primary and metastatic UTUC tumors in the same patient. In contrast, molecular subtype membership and immune depletion signature were stable across primary and matched metastatic UTUC. Molecular and immune subtypes were consistent between bulk RNA-sequencing and mass cytometry of protein markers from 340,798 single-cells. Molecular subtyping at the single cell level was highly conserved between primary and metastatic UTUC tumors within the same patient.

Benign prostatic hyperplasia (BPH), a nonmalignant enlargement of the prostate, is one of the most common diseases affecting aging men, but the underlying molecular features of BPH remain poorly understood, and therapeutic options are limited. Here we employed a comprehensive molecular investigation of BPH, including genomic, transcriptomic and epigenetic profiling of 18 BPH cases. At the molecular level, we found no evidence of neoplastic features in BPH: no evidence of driver genomic alterations, including low coding mutation rates, mutational signatures consistent with aging tissues, minimal copy number alterations, and no genomic rearrangements. Similarly at the epigenetic level, we found global hypermethylation was the dominant process (unlike most neoplastic processes). By integrating transcriptional and methylation signatures, we identified two BPH subgroups with distinct clinical features and associated signaling pathways, which were validated in two independent cohorts. Finally, our analyses nominated mTOR inhibitors as a potential subtype-specific therapeutic option. Supporting this, a cohort of men exposed to mTOR inhibitors showed a significant decrease in prostate size. Our results demonstrate that BPH consists of distinct molecular subgroups, with potential for subtype-specific precision therapy via mTOR inhibition.