Circular RNAs (circRNAs) are an intriguing class of RNA due to their covalently closed structure, high stability, and implicated roles in gene regulation. Here, we used an exome capture RNA sequencing protocol to detect and characterize circRNAs across >2,000 cancer samples. When compared against Ribo-Zero and RNase R, capture sequencing significantly enhanced the enrichment of circRNAs and preserved accurate circular-to-linear ratios. Using capture sequencing, we built the most comprehensive catalog of circRNA species to date: MiOncoCirc, the first database to be composed primarily of circRNAs directly detected in tumor tissues. Using MiOncoCirc, we identified candidate circRNAs to serve as biomarkers for prostate cancer and were able to detect circRNAs in urine. We further detected a novel class of circular transcripts, termed read-through circRNAs, that involved exons originating from different genes. MiOncoCirc will serve as a valuable resource for the development of circRNAs as diagnostic or therapeutic targets across cancer types.

The POU2F3-POU2AF2/3 transcription factor complex is the master regulator of the tuft cell lineage and tuft cell-like small cell lung cancer (SCLC). Here, we identify a specific dependence of the POU2F3 molecular subtype of SCLC (SCLC-P) on the activity of the mammalian switch/sucrose non-fermentable (mSWI/SNF) chromatin remodeling complex. Treatment of SCLC-P cells with a proteolysis targeting chimera (PROTAC) degrader of mSWI/SNF ATPases evicts POU2F3 and its coactivators from chromatin and attenuates downstream signaling. B cell malignancies which are dependent on the POU2F1/2 cofactor, POU2AF1, are also sensitive to mSWI/SNF ATPase degraders, with treatment leading to chromatin eviction of POU2AF1 and IRF4 and decreased IRF4 signaling in multiple myeloma cells. An orally bioavailable mSWI/SNF ATPase degrader significantly inhibits tumor growth in preclinical models of SCLC-P and multiple myeloma without signs of toxicity. This study suggests that POU2F-POU2AF-driven malignancies have an intrinsic dependence on the mSWI/SNF complex, representing a therapeutic vulnerability.

SUMMARY The POU2F3-POU2AF2/3 (OCA-T1/2) transcription factor complex is the master regulator of the tuft cell lineage and tuft cell-like small cell lung cancer (SCLC). Here, we found that the POU2F3 molecular subtype of SCLC (SCLC-P) exhibits an exquisite dependence on the activity of the mammalian switch/sucrose non-fermentable (mSWI/SNF) chromatin remodeling complex. SCLC-P cell lines were sensitive to nanomolar levels of a mSWI/SNF ATPase proteolysis targeting chimera (PROTAC) degrader when compared to other molecular subtypes of SCLC. POU2F3 and its cofactors were found to interact with components of the mSWI/SNF complex. The POU2F3 transcription factor complex was evicted from chromatin upon mSWI/SNF ATPase degradation, leading to attenuation of downstream oncogenic signaling in SCLC-P cells. A novel, orally bioavailable mSWI/SNF ATPase PROTAC degrader, AU-24118, demonstrated preferential efficacy in the SCLC-P relative to the SCLC-A subtype and significantly decreased tumor growth in preclinical models. AU-24118 did not alter normal tuft cell numbers in lung or colon, nor did it exhibit toxicity in mice. B cell malignancies which displayed a dependency on the POU2F1/2 cofactor, POU2AF1 (OCA-B), were also remarkably sensitive to mSWI/SNF ATPase degradation. Mechanistically, mSWI/SNF ATPase degrader treatment in multiple myeloma cells compacted chromatin, dislodged POU2AF1 and IRF4, and decreased IRF4 signaling. In a POU2AF1-dependent, disseminated murine model of multiple myeloma, AU-24118 enhanced survival compared to pomalidomide, an approved treatment for multiple myeloma. Taken together, our studies suggest that POU2F-POU2AF-driven malignancies have an intrinsic dependence on the mSWI/SNF complex, representing a therapeutic vulnerability.

Abstract The androgen receptor (AR) is a ligand-responsive transcription factor that binds at enhancers to drive terminal differentiation of the prostatic luminal epithelia. By contrast, in tumors originating from these cells, AR chromatin occupancy is extensively reprogrammed to drive hyper-proliferative, metastatic, or therapy-resistant phenotypes, the molecular mechanisms of which remain poorly understood. Here, we show that the tumor-specific enhancer circuitry of AR is critically reliant on the activity of Nuclear Receptor Binding SET Domain Protein 2 (NSD2), a histone 3 lysine 36 di-methyltransferase. NSD2 expression is abnormally gained in prostate cancer cells and its functional inhibition impairs AR trans-activation potential through partial off-loading from over 40,000 genomic sites, which is greater than 65% of the AR tumor cistrome. The NSD2-dependent AR sites distinctly harbor a chimeric AR-half motif juxtaposed to a FOXA1 element. Similar chimeric motifs of AR are absent at the NSD2-independent AR enhancers and instead contain the canonical palindromic motifs. Meta-analyses of AR cistromes from patient tumors uncovered chimeric AR motifs to exclusively participate in tumor-specific enhancer circuitries, with a minimal role in the physiological activity of AR. Accordingly, NSD2 inactivation attenuated hallmark cancer phenotypes that were fully reinstated upon exogenous NSD2 re-expression. Inactivation of NSD2 also engendered increased dependency on its paralog NSD1, which independently maintained AR and MYC hyper-transcriptional programs in cancer cells. Concordantly, a dual NSD1/2 PROTAC degrader, called LLC0150, was preferentially cytotoxic in AR-dependent prostate cancer as well as NSD2-altered hematologic malignancies. Altogether, we identify NSD2 as a novel subunit of the AR neo -enhanceosome that wires prostate cancer gene expression programs, positioning NSD1/2 as viable paralog co-targets in advanced prostate cancer.

Abstract Androgen receptor (AR) is a ligand-responsive transcription factor that drives terminal differentiation of the prostatic luminal epithelia. By contrast, in tumors originating from these cells, AR chromatin occupancy is extensively reprogrammed to activate malignant phenotypes, the molecular mechanisms of which remain unknown. Here, we show that tumor-specific AR enhancers are critically reliant on H3K36 dimethyltransferase activity of NSD2. NSD2 expression is abnormally induced in prostate cancer, where its inactivation impairs AR transactivation potential by disrupting over 65% of its cistrome. NSD2-dependent AR sites distinctively harbor the chimeric FOXA1:AR half-motif, which exclusively comprise tumor-specific AR enhancer circuitries defined from patient specimens. NSD2 inactivation also engenders increased dependency on the NSD1 paralog, and a dual NSD1/2 PROTAC degrader is preferentially cytotoxic in AR-dependent prostate cancer models. Altogether, we characterize NSD2 as an essential AR neo-enhanceosome subunit that enables its oncogenic activity, and position NSD1/2 as viable co-targets in advanced prostate cancer.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) subsists in a nutrient-deregulated microenvironment, making it particularly susceptible to treatments that interfere with cancer metabolism

Mammalian switch/sucrose non-fermentable (mSWI/SNF) ATPase degraders have been shown to be effective in enhancer-driven cancers by functioning to impede oncogenic transcription factor chromatin accessibility. Here, we developed AU-24118, a first-in-class, orally bioavailable proteolysis targeting chimera (PROTAC) degrader of mSWI/SNF ATPases (SMARCA2 and SMARCA4) and PBRM1. AU-24118 demonstrated tumor regression in a model of castration-resistant prostate cancer (CRPC) which was further enhanced with combination enzalutamide treatment, a standard of care androgen receptor (AR) antagonist used in CRPC patients. Importantly, AU-24118 exhibited favorable pharmacokinetic profiles in preclinical analyses in mice and rats, and further toxicity testing in mice showed a favorable safety profile. As acquired resistance is common with targeted cancer therapeutics, experiments were designed to explore potential mechanisms of resistance that may arise with long-term mSWI/SNF ATPase PROTAC treatment. Prostate cancer cell lines exposed to long-term treatment with high doses of a mSWI/SNF ATPase degrader developed SMARCA4 bromodomain mutations and ABCB1 overexpression as acquired mechanisms of resistance. Intriguingly, while SMARCA4 mutations provided specific resistance to mSWI/SNF degraders, ABCB1 overexpression provided broader resistance to other potent PROTAC degraders targeting bromodomain-containing protein 4 (BRD4) and AR. The ABCB1 inhibitor, zosuquidar, reversed resistance to all three PROTAC degraders tested. Combined, these findings position mSWI/SNF degraders for clinical translation for patients with enhancer-driven cancers and define strategies to overcome resistance mechanisms that may arise.

Cellular RNAs often colocalize with cytoplasmic, membrane-less ribonucleoprotein (RNP) granules enriched for RNA processing enzymes, termed processing bodies (PBs). Here, we track the dynamic localization of individual miRNAs, mRNAs and long non-coding RNAs (lncRNAs) to PBs using intracellular single-molecule fluorescence microscopy. We find that unused miRNAs stably bind to PBs, whereas functional miRNAs, repressed mRNAs and lncRNAs both transiently and stably localize within either the core or periphery of PBs, albeit to different extents. Consequently, translation potential and positioning of cis-regulatory elements significantly impact PB-localization dynamics of mRNAs. Using computational modeling and supporting experimental approaches we show that phase separation into large PBs attenuates mRNA silencing, suggesting that physiological mRNA turnover predominantly occurs outside of PBs. Instead, our data support a role for PBs in sequestering unused miRNAs to regulate their surveillance and provides a framework for investigating the dynamic assembly of RNP granules by phase separation at single-molecule resolution.

Processing bodies (PBs) and stress granules (SGs) are prominent examples of sub-cellular, membrane-less granules that phase-separate under physiological and stressed conditions, respectively. We observe that the trimeric PB protein DCP1A rapidly (within ~10 s) phase-separates in mammalian cells during hyperosmotic stress and dissolves upon isosmotic rescue (over ~100 s) with minimal impact on cell viability even after multiple cycles of osmotic perturbation. Strikingly, this rapid intracellular hyperosmotic phase separation (HOPS) correlates with the degree of cell volume compression, distinct from SG assembly, and is exhibited broadly by homo-multimeric (valency ≥ 2) proteins across several cell types. Notably, HOPS leads to nuclear sequestration of pre-mRNA cleavage factor component CPSF6, rationalizing hyperosmolarity-induced global impairment of transcription termination. Together, our data suggest that the multimeric proteome rapidly responds to changes in hydration and molecular crowding, revealing an unexpected mode of globally programmed phase separation and sequestration that adapts the cell to volume change.

SUMMARY Biallelic loss of cyclin-dependent kinase 12 ( CDK12 ) defines a unique molecular subtype of metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC). It remains unclear, however, whether CDK12 loss per se is sufficient to drive prostate cancer development—either alone, or in the context of other genetic alterations—and whether CDK12 -mutant tumors exhibit sensitivity to specific pharmacotherapies. Here, we demonstrate that tissue-specific Cdk12 ablation is sufficient to induce preneoplastic lesions and robust T cell infiltration in the mouse prostate. Allograft-based CRISPR screening demonstrated that Cdk12 loss is positively associated with Trp53 inactivation but negatively associated with Pten inactivation—akin to what is observed in human mCRPC. Consistent with this, ablation of Cdk12 in prostate organoids with concurrent Trp53 loss promotes their proliferation and ability to form tumors in mice, while Cdk12 knockout in the Pten -null prostate cancer mouse model abrogates tumor growth. Bigenic Cdk12 and Trp53 loss allografts represent a new syngeneic model for the study of androgen receptor (AR)-positive, luminal prostate cancer. Notably, Cdk12/Trp53 loss prostate tumors are sensitive to immune checkpoint blockade. Cdk12 -null organoids (either with or without Trp53 co-ablation) and patient-derived xenografts from tumors with CDK12 inactivation are highly sensitive to inhibition or degradation of its paralog kinase, CDK13. Together, these data identify CDK12 as a bona fide tumor suppressor gene with impact on tumor progression and lends support to paralog-based synthetic lethality as a promising strategy for treating CDK12- mutant mCRPC.