Levi Garraway and colleagues report exome sequencing of 112 prostate adenocarcinomas and matched normal tissues. They identify novel recurrent mutations in several genes, including MED12, FOXA1 and SPOP. They find that tumors harboring SPOP mutations lack the TMPRSS2-ERG fusion or other ETS rearrangements, supporting the hypothesis that SPOP mutation is an early driver event in prostate tumorigenesis. Prostate cancer is the second most common cancer in men worldwide and causes over 250,000 deaths each year1. Overtreatment of indolent disease also results in significant morbidity2. Common genetic alterations in prostate cancer include losses of NKX3.1 (8p21)3,4 and PTEN (10q23)5,6, gains of AR (the androgen receptor gene)7,8 and fusion of ETS family transcription factor genes with androgen-responsive promoters9,10,11. Recurrent somatic base-pair substitutions are believed to be less contributory in prostate tumorigenesis12,13 but have not been systematically analyzed in large cohorts. Here, we sequenced the exomes of 112 prostate tumor and normal tissue pairs. New recurrent mutations were identified in multiple genes, including MED12 and FOXA1. SPOP was the most frequently mutated gene, with mutations involving the SPOP substrate-binding cleft in 6–15% of tumors across multiple independent cohorts. Prostate cancers with mutant SPOP lacked ETS family gene rearrangements and showed a distinct pattern of genomic alterations. Thus, SPOP mutations may define a new molecular subtype of prostate cancer.

Highlights•Generation of prostate cancer organoids from metastasis and circulating tumor cells•Organoids retain the histological and molecular features of the patient specimen•Organoids recapitulate the diversity of castration-resistant prostate cancer•Organoid lines can be used for drug studies in vitro and as xenografts in vivoSummaryThe lack of in vitro prostate cancer models that recapitulate the diversity of human prostate cancer has hampered progress in understanding disease pathogenesis and therapy response. Using a 3D organoid system, we report success in long-term culture of prostate cancer from biopsy specimens and circulating tumor cells. The first seven fully characterized organoid lines recapitulate the molecular diversity of prostate cancer subtypes, including TMPRSS2-ERG fusion, SPOP mutation, SPINK1 overexpression, and CHD1 loss. Whole-exome sequencing shows a low mutational burden, consistent with genomics studies, but with mutations in FOXA1 and PIK3R1, as well as in DNA repair and chromatin modifier pathways that have been reported in advanced disease. Loss of p53 and RB tumor suppressor pathway function are the most common feature shared across the organoid lines. The methodology described here should enable the generation of a large repertoire of patient-derived prostate cancer lines amenable to genetic and pharmacologic studies.Graphical abstract

Prostate cancer is the second most common cause of male cancer deaths in the United States. However, the full range of prostate cancer genomic alterations is incompletely characterized. Here we present the complete sequence of seven primary human prostate cancers and their paired normal counterparts. Several tumours contained complex chains of balanced (that is, 'copy-neutral') rearrangements that occurred within or adjacent to known cancer genes. Rearrangement breakpoints were enriched near open chromatin, androgen receptor and ERG DNA binding sites in the setting of the ETS gene fusion TMPRSS2-ERG, but inversely correlated with these regions in tumours lacking ETS fusions. This observation suggests a link between chromatin or transcriptional regulation and the genesis of genomic aberrations. Three tumours contained rearrangements that disrupted CADM2, and four harboured events disrupting either PTEN (unbalanced events), a prostate tumour suppressor, or MAGI2 (balanced events), a PTEN interacting protein not previously implicated in prostate tumorigenesis. Thus, genomic rearrangements may arise from transcriptional or chromatin aberrancies and engage prostate tumorigenic mechanisms.

Neuroendocrine prostate cancer (NEPC) is an aggressive subtype of prostate cancer that most commonly evolves from preexisting prostate adenocarcinoma (PCA). Using Next Generation RNA-sequencing and oligonucleotide arrays, we profiled 7 NEPC, 30 PCA, and 5 benign prostate tissue (BEN), and validated findings on tumors from a large cohort of patients (37 NEPC, 169 PCA, 22 BEN) using IHC and FISH. We discovered significant overexpression and gene amplification of AURKA and MYCN in 40% of NEPC and 5% of PCA, respectively, and evidence that that they cooperate to induce a neuroendocrine phenotype in prostate cells. There was dramatic and enhanced sensitivity of NEPC (and MYCN overexpressing PCA) to Aurora kinase inhibitor therapy both in vitro and in vivo, with complete suppression of neuroendocrine marker expression following treatment. We propose that alterations in Aurora kinase A and N-myc are involved in the development of NEPC, and future clinical trials will help determine from the efficacy of Aurora kinase inhibitor therapy.We report on the largest in-depth molecular analysis of NEPC and provide new insight into molecular events involved in the progression of prostate cancer.

The androgen receptor (AR) plays a central role in establishing an oncogenic cascade that drives prostate cancer progression. Some prostate cancers escape androgen dependence and are often associated with an aggressive phenotype. The oestrogen receptor alpha (ERα) is expressed in prostate cancers, independent of AR status. However, the role of ERα remains elusive. Using a combination of chromatin immunoprecipitation (ChIP) and RNA-sequencing data, we identified an ERα-specific non-coding transcriptome signature. Among putatively ERα-regulated intergenic long non-coding RNAs (lncRNAs), we identified nuclear enriched abundant transcript 1 (NEAT1) as the most significantly overexpressed lncRNA in prostate cancer. Analysis of two large clinical cohorts also revealed that NEAT1 expression is associated with prostate cancer progression. Prostate cancer cells expressing high levels of NEAT1 were recalcitrant to androgen or AR antagonists. Finally, we provide evidence that NEAT1 drives oncogenic growth by altering the epigenetic landscape of target gene promoters to favour transcription.

The transition from castration-resistant prostate adenocarcinoma (CRPC) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC) has emerged as an important mechanism of treatment resistance. NEPC is associated with overexpression and gene amplification of MYCN (encoding N-Myc). N-Myc is an established oncogene in several rare pediatric tumors, but its role in prostate cancer progression is not well established. Integrating a genetically engineered mouse model and human prostate cancer transcriptome data, we show that N-Myc overexpression leads to the development of poorly differentiated, invasive prostate cancer that is molecularly similar to human NEPC. This includes an abrogation of androgen receptor signaling and induction of Polycomb Repressive Complex 2 signaling. Altogether, our data establishes N-Myc as an oncogenic driver of NEPC.

Most personalized cancer care strategies involving DNA sequencing are highly reliant on acquiring sufficient fresh or frozen tissue. It has been challenging to comprehensively evaluate the genome of advanced prostate cancer (PCa) because of limited access to metastatic tissue.To demonstrate the feasibility of a novel next-generation sequencing (NGS)-based platform that can be used with archival formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) biopsy tissue to evaluate the spectrum of DNA alterations seen in advanced PCa.FFPE samples (including archival prostatectomies and prostate needle biopsies) were obtained from 45 patients representing the spectrum of disease: localized PCa, metastatic hormone-naive PCa, and metastatic castration-resistant PCa (CRPC). We also assessed paired primaries and metastases to understand disease heterogeneity and disease progression.At least 50 ng of tumor DNA was extracted from FFPE samples and used for hybridization capture and NGS using the Illumina HiSeq 2000 platform.A total of 3320 exons of 182 cancer-associated genes and 37 introns of 14 commonly rearranged genes were evaluated for genomic alterations.We obtained an average sequencing depth of >900X. Overall, 44% of CRPCs harbored genomic alterations involving the androgen receptor gene (AR), including AR copy number gain (24% of CRPCs) or AR point mutation (20% of CRPCs). Other recurrent mutations included transmembrane protease, serine 2 gene (TMPRSS2):v-ets erythroblastosis virus E26 oncogene homolog (avian) gene (ERG) fusion (44%); phosphatase and tensin homolog gene (PTEN) loss (44%); tumor protein p53 gene (TP53) mutation (40%); retinoblastoma gene (RB) loss (28%); v-myc myelocytomatosis viral oncogene homolog (avian) gene (MYC) gain (12%); and phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase, catalytic subunit α gene (PIK3CA) mutation (4%). There was a high incidence of genomic alterations involving key genes important for DNA repair, including breast cancer 2, early onset gene (BRCA2) loss (12%) and ataxia telangiectasia mutated gene (ATM) mutations (8%); these alterations are potentially targetable with poly(adenosine diphosphate-ribose)polymerase inhibitors. A novel and actionable rearrangement involving the v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1 gene (BRAF) was also detected.This first-in-principle study demonstrates the feasibility of performing in-depth DNA analyses using FFPE tissue and brings new insight toward understanding the genomic landscape within advanced PCa.

TMPRSS2-ERG gene fusions occur in 50% of prostate cancers and result in the overexpression of a chimeric fusion transcript that encodes a truncated ERG product. Previous attempts to detect truncated ERG products have been hindered by a lack of specific antibodies. Here, we characterize a rabbit anti-ERG monoclonal antibody (clone EPR 3864; Epitomics, Burlingame, CA) using immunoblot analysis on prostate cancer cell lines, synthetic TMPRSS2-ERG constructs, chromatin immunoprecipitation, and immunofluorescence. We correlated ERG protein expression with the presence of ERG gene rearrangements in prostate cancer tissues using a combined immunohistochemistry (IHC) and fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis. We independently evaluated two patient cohorts and observed ERG expression confined to prostate cancer cells and high-grade prostatic intraepithelial neoplasia associated with ERG-positive cancer, as well as vessels and lymphocytes (where ERG has a known biologic role). Image analysis of 131 cases demonstrated nearly 100% sensitivity for detecting ERG rearrangement prostate cancer, with only 2 (1.5%) of 131 cases demonstrating strong ERG protein expression without any known ERG gene fusion. The combined pathology evaluation of 207 patient tumors for ERG protein expression had 95.7% sensitivity and 96.5% specificity for determining ERG rearrangement prostate cancer. In conclusion, this study qualifies a specific anti-ERG antibody and demonstrates exquisite association between ERG gene rearrangement and truncated ERG protein product expression. Given the ease of performing IHC versus FISH, ERG protein expression may be useful for molecularly subtyping prostate cancer based on ERG rearrangement status and suggests clinical utility in prostate needle biopsy evaluation.

Importance

 Understanding molecular mechanisms of response and resistance to anticancer therapies requires prospective patient follow-up and clinical and functional validation of both common and low-frequency mutations. We describe a whole-exome sequencing (WES) precision medicine trial focused on patients with advanced cancer. 

Objective

 To understand how WES data affect therapeutic decision making in patients with advanced cancer and to identify novel biomarkers of response. 

Design, Setting, and Patients

 Patients with metastatic and treatment-resistant cancer were prospectively enrolled at a single academic center for paired metastatic tumor and normal tissue WES during a 19-month period (February 2013 through September 2014). A comprehensive computational pipeline was used to detect point mutations, indels, and copy number alterations. Mutations were categorized as category 1, 2, or 3 on the basis of actionability; clinical reports were generated and discussed in precision tumor board. Patients were observed for 7 to 25 months for correlation of molecular information with clinical response. 

Main Outcomes and Measures

 Feasibility, use of WES for decision making, and identification of novel biomarkers. 

Results

 A total of 154 tumor-normal pairs from 97 patients with a range of metastatic cancers were sequenced, with a mean coverage of 95X and 16 somatic alterations detected per patient. In total, 16 mutations were category 1 (targeted therapy available), 98 were category 2 (biologically relevant), and 1474 were category 3 (unknown significance). Overall, WES provided informative results in 91 cases (94%), including alterations for which there is an approved drug, there are therapies in clinical or preclinical development, or they are considered drivers and potentially actionable (category 1-2); however, treatment was guided in only 5 patients (5%) on the basis of these recommendations because of access to clinical trials and/or off-label use of drugs. Among unexpected findings, a patient with prostate cancer with exceptional response to treatment was identified who harbored a somatic hemizygous deletion of the DNA repair geneFANCAand putative partial loss of function of the second allele through germline missense variant. Follow-up experiments established that loss of FANCA function was associated with platinum hypersensitivity both in vitro and in patient-derived xenografts, thus providing biologic rationale and functional evidence for his extreme clinical response. 

Conclusions and Relevance

 The majority of advanced, treatment-resistant tumors across tumor types harbor biologically informative alterations. The establishment of a clinical trial for WES of metastatic tumors with prospective follow-up of patients can help identify candidate predictive biomarkers of response.

Neuroendocrine prostate cancer (NEPC), also referred to as anaplastic prostate cancer, is a lethal tumor that most commonly arises in late stages of prostate adenocarcinoma (PCA) with predilection to metastasize to visceral organs. In the current study, we explore for evidence that Aurora kinase A (AURKA) and N-myc (MYCN) gene abnormalities are harbingers of treatment-related NEPC (t-NEPC). We studied primary prostate tissue from 15 hormone naïve PCAs, 51 castration-resistant prostate cancers, and 15 metastatic tumors from 72 patients at different stages of disease progression to t-NEPC, some with multiple specimens. Histologic evaluation, immunohistochemistry, and fluorescence in situ hybridization were performed and correlated with clinical variables. AURKA amplification was identified in overall 65% of PCAs (hormone naïve and treated) from patients that developed t-NEPC and in 86% of metastases. Concurrent amplification of MYCN was present in 70% of primary PCAs, 69% of treated PCAs, and 83% of metastases. In contrast, in an unselected PCA cohort, AURKA and MYCN amplifications were identified in only 5% of 169 cases. When metastatic t-NEPC was compared to primary PCA from the same patients, there was 100% concordance of ERG rearrangement, 100% concordance of AURKA amplification, and 60% concordance of MYCN amplification. In tumors with mixed features, there was also 100% concordance of ERG rearrangement and 94% concordance of AURKA and MYCN co-amplification between areas of NEPC and adenocarcinoma. AURKA and MYCN amplifications may be prognostic and predictive biomarkers, as they are harbingers of tumors at risk of progressing to t-NEPC after hormonal therapy.