Paul Boutros, Robert Bristow and colleagues report a molecular analysis of the spatial heterogeneity of clinically localized, multifocal prostate cancer. They find that multifocal tumors are highly heterogeneous, and they identify a novel recurrent amplification of MYCL1. Herein we provide a detailed molecular analysis of the spatial heterogeneity of clinically localized, multifocal prostate cancer to delineate new oncogenes or tumor suppressors. We initially determined the copy number aberration (CNA) profiles of 74 patients with index tumors of Gleason score 7. Of these, 5 patients were subjected to whole-genome sequencing using DNA quantities achievable in diagnostic biopsies, with detailed spatial sampling of 23 distinct tumor regions to assess intraprostatic heterogeneity in focal genomics. Multifocal tumors are highly heterogeneous for single-nucleotide variants (SNVs), CNAs and genomic rearrangements. We identified and validated a new recurrent amplification of MYCL, which is associated with TP53 deletion and unique profiles of DNA damage and transcriptional dysregulation. Moreover, we demonstrate divergent tumor evolution in multifocal cancer and, in some cases, tumors of independent clonal origin. These data represent the first systematic relation of intraprostatic genomic heterogeneity to predicted clinical outcome and inform the development of novel biomarkers that reflect individual prognosis.

Abstract The aryl hydrocarbon receptor (AHR) mediates many of the toxic effects of 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo- p -dioxin (TCDD). However, the AHR alone is insufficient to explain the widely different outcomes among organisms. Attempts to identify unknown factor(s) have been confounded by genetic variability of model organisms. Here, we evaluated three transgenic mouse lines, each expressing a different rat AHR isoform (rWT, DEL, and INS), as well as C57BL/6 and DBA/2 mice. We supplement these with whole-genome sequencing and transcriptomic analyses of the corresponding rat models: Long-Evans (L-E) and Han/Wistar (H/W) rats. These integrated multi-species genomic and transcriptomic data were used to identify genes associated with TCDD-response phenotypes. We identified several genes that show consistent transcriptional changes in both transgenic mice and rats. Hepatic Pxdc1 was significantly repressed by TCDD in C57BL/6, rWT mice, and in L-E rat. Three genes demonstrated different AHRE-1 (full) motif occurrences within their promoter regions: Cxxc5 had fewer occurrences in H/W, as compared with L-E; Sugp1 and Hgfac (in either L-E or H/W respectively). These genes also showed different patterns of mRNA abundance across strains. The AHR isoform explains much of the transcriptional variability: up to 50% of genes with altered mRNA abundance following TCDD exposure are associated with a single AHR isoform (30% and 10% unique to DEL and rWT respectively following 500 μg/kg TCDD). Genomic and transcriptomic evidence allowed identification of genes potentially involved in phenotypic outcomes: Pxdc1 had differential mRNA abundance by phenotype; Cxxc5 had altered AHR binding sites and differential mRNA abundance. Author Summary Environmental contaminants such as dioxins cause many toxic responses, anything from chloracne (common in humans) to death. These toxic responses are mostly regulated by the Ahr , a ligand-activated transcription factor with roles in drug metabolism and immune responses, however other contributing factors remain unclear. Studies are complicated by the underlying genetic heterogeneity of model organisms. Our team evaluated a number of mouse and rat models, including two strains of mouse, two strains of rat and three transgenic mouse lines which differ only at the Ahr locus, that present widely different sensitivities to the most potent dioxin: 2,3,7,8 tetrachlorodibenzo- p -dioxin (TCDD). We identified a number of changes to gene expression that were associated with different toxic responses. We then contrasted these findings with results from whole-genome sequencing of the H/W and L-E rats and found some key genes, such as Cxxc5 and Mafb , which might contribute to TCDD toxicity. These transcriptomic and genomic datasets will provide a valuable resource for future studies into the mechanisms of dioxin toxicities.