The impact of variations in the three-dimensional structure of the genome has been recognized, but solid cancer tissue studies are limited. Here, we performed integrated deep Hi-C sequencing with matched whole-genome sequencing, whole-genome bisulfite sequencing, 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) sequencing and RNA sequencing across a cohort of 80 biopsy samples from patients with metastatic castration-resistant prostate cancer. Dramatic differences were present in gene expression, 5-methylcytosine/5hmC methylation and in structural variation versus mutation rate between A and B (open and closed) chromatin compartments. A subset of tumors exhibited depleted regional chromatin contacts at the AR locus, linked to extrachromosomal circular DNA (ecDNA) and worse response to AR signaling inhibitors. We also identified topological subtypes associated with stark differences in methylation structure, gene expression and prognosis. Our data suggested that DNA interactions may predispose to structural variant formation, exemplified by the recurrent TMPRSS2-ERG fusion. This comprehensive integrated sequencing effort represents a unique clinical tumor resource.

Abstract Metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) is a lethal disease that resists therapy targeting androgen signaling, the primary driver of prostate cancer. mCRPC resists androgen receptor (AR) inhibitors by amplifying AR signaling or by evolving into therapy-resistant subtypes that do not depend on AR. Elucidation of the epigenetic underpinnings of these subtypes could provide important insights into the drivers of therapy resistance. In this study, we produced chromatin accessibility maps linked to the binding of lineage-specific transcription factors (TF) by performing ATAC sequencing on 70 mCRPC tissue biopsies integrated with transcriptome and whole genome sequencing. mCRPC had a distinct global chromatin accessibility profile linked to AR function. Analysis of TF occupancy across accessible chromatin revealed 203 TFs associated with mCRPC subtypes. Notably, ZNF263 was identified as a putative prostate cancer TF with a significant impact on gene activity in the double-negative (AR- neuroendocrine-) subtype, potentially activating MYC targets. Overall, this analysis of chromatin accessibility in mCRPC provides valuable insights into epigenetic changes that occur during progression to mCRPC.

Abstract Genomic alterations resulting in loss of control over the cell cycle is a fundamental hallmark of human malignancies. Whilst pan-cancer studies have broadly assessed tumour genomics and their impact on oncogenic pathways, analyses taking the baseline signalling levels in normal tissue into account are lacking. To this end, we aimed to reclassify the cell cycle activity of tumours in terms of their tissue of origin and determine the DNA mutations, chromosome arm-level changes and signalling pathways driving cell cycle activity. Combining normal tissue and pan-cancer data from over 13,000 samples we demonstrate that tumours of gynaecological origin show the highest levels of baseline corrected cell cycle activity, partially owing to hormonal signalling and gene expression changes. We also show that normal and tumour tissues can be separated into groups (quadrants) of low/high cell cycle activity and propose the novel hypothesis of an upper limit on these activity levels in tumours.

Background: Pan cancer genomic analyses based on the magnitude of pathway activity are currently lacking. Focusing on the cell cycle, we examined the DNA mutations and chromosome arm-level aneuploidy within tumours with low, intermediate and high cell cycle activity. Patients and methods: Matching mRNA, gene mutational status, chromosomal arm-level aberrations and clinico-pathological data was assembled from pan-cancer studies of 9,515 patients with 32 different cancers. Cell cycle activity was estimated from mRNA data using the cell cycle score (CCS) signature. Barplots were used to visualise mutation and chromosomal aberration frequency within CCS subgroups. Kaplan-Meier and multivariable Cox-regression analyses were used to determine survival differences between CCS subgroups. Results: Cell cycle activity varied broadly across and within all cancers. TP53 and PIK3CA mutations were common in all CCS subgroups but with increasing frequency as cell cycle activity levels increased (P < 0.001). Mutations in BRAF and gains in 16p were less frequent CCS high tumours (P < 0.001). In Kaplan-Meier analysis, patients whose tumours were CCS Low had a longer PFI relative to intermediate or high (P < 0.001) and this significance remained in multivariable analysis (CCS intermediate: HR = 1.37; 95% CI 1.17 - 1.60, CCS high: 1.54; 1.29 - 1.84, CCS Low = Ref). Conclusions: Cell cycle activity varies across and within cancers and whilst similar DNA alterations can be found at all activity levels, some notable exceptions exist. These data also demonstrate that independent prognostic information can be derived on a pan-cancer level from a simple measure of cell cycle activity.