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.

Prostate cancer is a heterogeneous disease, but current treatments are not based on molecular stratification. We hypothesized that metastatic, castration-resistant prostate cancers with DNA-repair defects would respond to poly(adenosine diphosphate [ADP]–ribose) polymerase (PARP) inhibition with olaparib.

Metastatic castration-resistant prostate cancer is enriched in DNA damage response (DDR) gene aberrations. The TOPARP-B trial aims to prospectively validate the association between DDR gene aberrations and response to olaparib in metastatic castration-resistant prostate cancer.

New predictive markers for managing prostate cancer are urgently required because of the highly variable natural history of this disease. At the time of diagnosis, Gleason score provides the gold standard for assessing the aggressiveness of prostate cancer. However, the recent discovery of TMPRSS2 fusions to the ERG gene in prostate cancer raises the possibility of using alterations at the ERG locus as additional mechanism-based prognostic indicators. Fluorescence in situ hybridization (FISH) assays were used to assess ERG gene status in a cohort of 445 prostate cancers from patients who had been conservatively managed. The FISH assays detected separation of 5′ (labelled green) and 3′ (labelled red) ERG sequences, which is a consequence of the TMPRSS2–ERG fusion, and additionally identify interstitial deletion of genomic sequences between the tandemly located TMPRSS2 and ERG gene sequences on chromosome 21. Cancers lacking ERG alterations exhibited favourable cause-specific survival (90% survival at 8 years). We identify a novel category of prostate cancers, characterized by duplication of the fusion of TMPRSS2 to ERG sequences together with interstitial deletion of sequences 5′ to ERG (called ‘2+Edel’), which by comparison exhibited extremely poor cause-specific survival (hazard ratio=6.10, 95% confidence ratio=3.33–11.15, P<0.001, 25% survival at 8 years). In multivariate analysis, ‘2+Edel’ provided significant prognostic information (P=0.003) in addition to that provided by Gleason score and prostate-specific antigen level at diagnosis. Other individual categories of ERG alteration were associated with intermediate or good prognosis. We conclude that determination of ERG gene status, including duplication of the fusion of TMPRSS2 to ERG sequences in 2+Edel, allows stratification of prostate cancer into distinct survival categories.

Androgen receptor (AR) gene aberrations are rare in prostate cancer before primary hormone treatment but emerge with castration resistance. To determine AR gene status using a minimally invasive assay that could have broad clinical utility, we developed a targeted next-generation sequencing approach amenable to plasma DNA, covering all AR coding bases and genomic regions that are highly informative in prostate cancer. We sequenced 274 plasma samples from 97 castration-resistant prostate cancer patients treated with abiraterone at two institutions. We controlled for normal DNA in patients' circulation and detected a sufficiently high tumor DNA fraction to quantify AR copy number state in 217 samples (80 patients). Detection of AR copy number gain and point mutations in plasma were inversely correlated, supported further by the enrichment of nonsynonymous versus synonymous mutations in AR copy number normal as opposed to AR gain samples. Whereas AR copy number was unchanged from before treatment to progression and no mutant AR alleles showed signal for acquired gain, we observed emergence of T878A or L702H AR amino acid changes in 13% of tumors at progression on abiraterone. Patients with AR gain or T878A or L702H before abiraterone (45%) were 4.9 and 7.8 times less likely to have a ≥50 or ≥90% decline in prostate-specific antigen (PSA), respectively, and had a significantly worse overall [hazard ratio (HR), 7.33; 95% confidence interval (CI), 3.51 to 15.34; P = 1.3 × 10(-9)) and progression-free (HR, 3.73; 95% CI, 2.17 to 6.41; P = 5.6 × 10(-7)) survival. Evaluation of plasma AR by next-generation sequencing could identify cancers with primary resistance to abiraterone.

Abstract Biomarkers for more precise patient care are needed in metastatic prostate cancer. We have reported a phase II trial (TOPARP-A) of the PARP inhibitor olaparib in metastatic prostate cancer, demonstrating antitumor activity associating with homologous recombination DNA repair defects. We now report targeted and whole-exome sequencing of serial circulating cell-free DNA (cfDNA) samples collected during this trial. Decreases in cfDNA concentration independently associated with outcome in multivariable analyses (HR for overall survival at week 8: 0.19; 95% CI, 0.06–0.56; P = 0.003). All tumor tissue somatic DNA repair mutations were detectable in cfDNA; allele frequency of somatic mutations decreased selectively in responding patients (χ2 P &lt; 0.001). At disease progression, following response to olaparib, multiple subclonal aberrations reverting germline and somatic DNA repair mutations (BRCA2, PALB2) back in frame emerged as mechanisms of resistance. These data support the role of liquid biopsies as a predictive, prognostic, response, and resistance biomarker in metastatic prostate cancer. Significance: We report prospectively planned, serial, cfDNA analyses from patients with metastatic prostate cancer treated on an investigator-initiated phase II trial of olaparib. These analyses provide predictive, prognostic, response, and resistance data with “second hit” mutations first detectable at disease progression, suggesting clonal evolution from treatment-selective pressure and platinum resistance. Cancer Discov; 7(9); 1006–17. ©2017 AACR. See related commentary by Domchek, p. 937. See related article by Kondrashova et al., p. 984. See related article by Quigley et al., p. 999. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 920

The microbiota comprises the microorganisms that live in close contact with the host, with mutual benefit for both counterparts. The contribution of the gut microbiota to the emergence of castration-resistant prostate cancer (CRPC) has not yet been addressed. We found that androgen deprivation in mice and humans promotes the expansion of defined commensal microbiota that contributes to the onset of castration resistance in mice. Specifically, the intestinal microbial community in mice and patients with CRPC was enriched for species capable of converting androgen precursors into active androgens. Ablation of the gut microbiota by antibiotic therapy delayed the emergence of castration resistance even in immunodeficient mice. Fecal microbiota transplantation (FMT) from CRPC mice and patients rendered mice harboring prostate cancer resistant to castration. In contrast, tumor growth was controlled by FMT from hormone-sensitive prostate cancer patients and Prevotella stercorea administration. These results reveal that the commensal gut microbiota contributes to endocrine resistance in CRPC by providing an alternative source of androgens.

Abstract Inflammation is a hallmark of cancer 1 . In patients with cancer, peripheral blood myeloid expansion, indicated by a high neutrophil-to-lymphocyte ratio, associates with shorter survival and treatment resistance across malignancies and therapeutic modalities 2–5 . Whether myeloid inflammation drives progression of prostate cancer in humans remain unclear. Here we show that inhibition of myeloid chemotaxis can reduce tumour-elicited myeloid inflammation and reverse therapy resistance in a subset of patients with metastatic castration-resistant prostate cancer (CRPC). We show that a higher blood neutrophil-to-lymphocyte ratio reflects tumour myeloid infiltration and tumour expression of senescence-associated mRNA species, including those that encode myeloid-chemoattracting CXCR2 ligands. To determine whether myeloid cells fuel resistance to androgen receptor signalling inhibitors, and whether inhibiting CXCR2 to block myeloid chemotaxis reverses this, we conducted an investigator-initiated, proof-of-concept clinical trial of a CXCR2 inhibitor (AZD5069) plus enzalutamide in patients with metastatic CRPC that is resistant to androgen receptor signalling inhibitors. This combination was well tolerated without dose-limiting toxicity and it decreased circulating neutrophil levels, reduced intratumour CD11b + HLA-DR lo CD15 + CD14 − myeloid cell infiltration and imparted durable clinical benefit with biochemical and radiological responses in a subset of patients with metastatic CRPC. This study provides clinical evidence that senescence-associated myeloid inflammation can fuel metastatic CRPC progression and resistance to androgen receptor blockade. Targeting myeloid chemotaxis merits broader evaluation in other cancers.