The APOBEC3 family of cytosine deaminases has been implicated in some of the most prevalent mutational signatures in cancer1-3. However, a causal link between endogenous APOBEC3 enzymes and mutational signatures in human cancer genomes has not been established, leaving the mechanisms of APOBEC3 mutagenesis poorly understood. Here, to investigate the mechanisms of APOBEC3 mutagenesis, we deleted implicated genes from human cancer cell lines that naturally generate APOBEC3-associated mutational signatures over time4. Analysis of non-clustered and clustered signatures across whole-genome sequences from 251 breast, bladder and lymphoma cancer cell line clones revealed that APOBEC3A deletion diminished APOBEC3-associated mutational signatures. Deletion of both APOBEC3A and APOBEC3B further decreased APOBEC3 mutation burdens, without eliminating them. Deletion of APOBEC3B increased APOBEC3A protein levels, activity and APOBEC3A-mediated mutagenesis in some cell lines. The uracil glycosylase UNG was required for APOBEC3-mediated transversions, whereas the loss of the translesion polymerase REV1 decreased overall mutation burdens. Together, these data represent direct evidence that endogenous APOBEC3 deaminases generate prevalent mutational signatures in human cancer cells. Our results identify APOBEC3A as the main driver of these mutations, indicate that APOBEC3B can restrain APOBEC3A-dependent mutagenesis while contributing its own smaller mutation burdens and dissect mechanisms that translate APOBEC3 activities into distinct mutational signatures.

Ultraviolet A light is commonly emitted by UV-nail polish dryers with recent reports suggesting that long-term use may increase the risk for developing skin cancer. However, no experimental evaluation has been conducted to reveal the effect of radiation emitted by UV-nail polish dryers on mammalian cells. Here, we show that irradiation by a UV-nail polish dryer causes high levels of reactive oxygen species, consistent with 8-oxo-7,8-dihydroguanine damage and mitochondrial dysfunction. Analysis of somatic mutations reveals a dose-dependent increase of C:G>A:T substitutions in irradiated samples with mutagenic patterns similar to mutational signatures previously attributed to reactive oxygen species. In summary, this study demonstrates that radiation emitted by UV-nail polish dryers can both damage DNA and permanently engrave mutations on the genomes of primary mouse embryonic fibroblasts, human foreskin fibroblasts, and human epidermal keratinocytes.

Abstract The single-stranded DNA cytosine-to-uracil deaminase APOBEC3B is an antiviral protein implicated in cancer. However, its substrates in cells are not fully delineated. Here, APOBEC3B proteomics reveal interactions with a surprising number of R-loop factors. Biochemical experiments show APOBEC3B binding to R-loops in human cells and in vitro . Genetic experiments demonstrate R-loop increases in cells lacking APOBEC3B and decreases in cells overexpressing APOBEC3B. Genome-wide analyses show major changes in the overall landscape of physiological and stimulus-induced R-loops with thousands of differentially altered regions as well as binding of APOBEC3B to many of these sites. APOBEC3 mutagenesis impacts overexpressed genes and splice factor mutant tumors preferentially, and APOBEC3-attributed kataegis are enriched in RTCW consistent with APOBEC3B deamination. Taken together with the fact that APOBEC3B binds single-stranded DNA and RNA and preferentially deaminates DNA, these results support a mechanism in which APOBEC3B mediates R-loop homeostasis and contributes to R-loop mutagenesis in cancer. Highlights Unbiased proteomics link antiviral APOBEC3B to R-loop regulation Systematic alterations of APOBEC3B levels trigger corresponding changes in R-loops APOBEC3B binds R-loops in living cells and in vitro Bioinformatics analyses support an R-loop deamination and mutation model

ABSTRACT The gains and losses of DNA that emerge as a consequence of mitotic errors and chromosomal instability are prevalent in cancer. These copy number alterations contribute to cancer initiaition, progression and therapeutic resistance. Here, we present a conceptual framework for examining the patterns of copy number alterations in human cancer using whole-genome sequencing, whole-exome sequencing, and SNP6 microarray data making it widely applicable to diverse datasets. Deploying this framework to 9,873 cancers representing 33 human cancer types from the TCGA project revealed a set of 19 copy number signatures that explain the copy number patterns of 93% of TCGA samples. 15 copy number signatures were attributed to biological processes of whole-genome doubling, aneuploidy, loss of heterozygosity, homologous recombination deficiency, and chromothripsis. The aetiology of four copy number signatures are unexplained and some cancer types have unique patterns of amplicon signatures associated with extrachromosomal DNA, disease-specific survival, and gains of proto-oncogenes such as MDM2 . In contrast to base-scale mutational signatures, no copy number signature associated with known cancer risk factors. The results provide a foundation for exploring patterns of copy number changes in cancer genomes and synthesise the global landscape of copy number alterations in human cancer by revealing a diversity of mutational processes giving rise to copy number changes.

ABSTRACT To characterise the somatic alterations in colorectal cancer (CRC), we conducted whole-genome sequencing analysis of 2,023 tumours. We provide the most detailed high-resolution map to date of somatic mutations in CRC, and demonstrate associations with clinicopathological features, in particular location in the large bowel. We refined the mutational processes and signatures acting in colorectal tumorigenesis. In analyses across the sample set or restricted to molecular subtypes, we identified 185 CRC driver genes, of which 117 were previously unreported. New drivers acted in various molecular pathways, including Wnt ( CTNND1, AXIN1, TCF3 ), TGF-β/BMP ( TGFBR1 ) and MAP kinase ( RASGRF1, RASA1, RAF1 , and several MAP2K and MAP3K loc i ). Non-coding drivers included intronic neo-splice site alterations in APC and SMAD4 . Whilst there was evidence of an excess of mutations in functionally active regions of the non-coding genome, no specific drivers were called with high confidence. Novel recurrent copy number changes included deletions of PIK3R1 and PWRN1 , as well as amplification of CCND3 and NEDD9 . Putative driver structural variants included BRD4 and SOX9 regulatory elements, and ACVR2A and ANKRD11 hotspot deletions. The frequencies of many driver mutations, including somatic Wnt and Ras pathway variants, showed a gradient along the colorectum. The Pks-pathogenic E. coli signature and TP53 mutations were primarily associated with rectal cancer. A set of unreported immune escape driver genes was found, primarily in hypermutated CRCs, most of which showed evidence of genetic evasion of the anti-cancer immune response. About 25% of cancers had a potentially actionable mutation for a known therapy. Thirty-three of the new driver genes were predicted to be essential, 17 possessed a druggable structure, and nine had a bioactive compound available. Our findings provide further insight into the genetics and biology of CRC, especially tumour subtypes defined by genomic instability or clinicopathological features.

SUMMARY The somatic mutations found in a cancer genome are imprinted by different mutational processes. Each process exhibits a characteristic mutational signature, which can be affected by the genome architecture. However, the interplay between mutational signatures and topographical genomic features has not been extensively explored. Here, we integrate mutations from 5,120 whole-genome sequenced tumours from 40 cancer types with 516 topographical features from ENCODE to evaluate the effect of nucleosome occupancy, histone modifications, CTCF binding, replication timing, and transcription/replication strand asymmetries on the cancer-specific accumulation of mutations from distinct mutagenic processes. Most mutational signatures are affected by topographical features with signatures of related aetiologies being similarly affected. Certain signatures exhibit periodic behaviours or cancer-type specific enrichments/depletions near topographical features, revealing further information about the processes that imprinted them. Our findings, disseminated via COSMIC, provide a comprehensive online resource for exploring the interactions between mutational signatures and topographical features across human cancer. GRAPHICAL ABSTRACT HIGHLIGHTS Comprehensive topography analysis of mutational signatures encompassing 82,890,857 somatic mutations in 5,120 whole-genome sequenced tumours integrated with 516 tissue-matched topographical features from the ENCODE project. The accumulation of somatic mutations from most mutational signatures is affected by nucleosome occupancy, histone modifications, CTCF binding sites, transcribed regions, or replication strand/timing. Mutational signatures with related aetiologies are consistently characterized by similar genome topographies across tissue types. Topography analysis allows both separating signatures from different aetiologies and understanding the genomic specificity of clustered somatic mutations. A comprehensive online resource, disseminate through the COSMIC signatures database, that allows researchers to explore the interactions between somatic mutational processes and genome architecture within and across cancer types.

PURPOSE Cancers with homologous recombination deficiency (HRD) can benefit from platinum salts and poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors. Standard diagnostic tests for detecting HRD require molecular profiling, which is not universally available. METHODS We trained DeepHRD, a deep learning platform for predicting HRD from hematoxylin and eosin (H&E)–stained histopathological slides, using primary breast (n = 1,008) and ovarian (n = 459) cancers from The Cancer Genome Atlas (TCGA). DeepHRD was compared with four standard HRD molecular tests using breast (n = 349) and ovarian (n = 141) cancers from multiple independent data sets, including platinum-treated clinical cohorts with RECIST progression-free survival (PFS), complete response (CR), and overall survival (OS) endpoints. RESULTS DeepHRD predicted HRD from held-out H&E-stained breast cancer slides in TCGA with an AUC of 0.81 (95% CI, 0.77 to 0.85). This performance was confirmed in two independent primary breast cancer cohorts (AUC, 0.76 [95% CI, 0.71 to 0.82]). In an external platinum-treated metastatic breast cancer cohort, samples predicted as HRD had higher complete CR (AUC, 0.76 [95% CI, 0.54 to 0.93]) with 3.7-fold increase in median PFS (14.4 v 3.9 months; P = .0019) and hazard ratio (HR) of 0.45 ( P = .0047). There were no significant differences in nonplatinum treatment outcome by predicted HRD status in three breast cancer cohorts, including CR (AUC, 0.39) and PFS (HR, 0.98, P = .95) in taxane-treated metastatic breast cancer. Through transfer learning to high-grade serous ovarian cancer, DeepHRD-predicted HRD samples had better OS after first-line (HR, 0.46; P = .030) and neoadjuvant (HR, 0.49; P = .015) platinum therapy in two cohorts. CONCLUSION DeepHRD can predict HRD in breast and ovarian cancers directly from routine H&E slides across multiple external cohorts, slide scanners, and tissue fixation variables. When compared with molecular testing, DeepHRD classified 1.8- to 3.1-fold more patients with HRD, which exhibited better OS in high-grade serous ovarian cancer and platinum-specific PFS in metastatic breast cancer.

ABSTRACT Environmental co-exposures are widespread and are major contributors to carcinogenic mechanisms. Two well-established environmental agents causing skin cancer are ultraviolet radiation (UVR) and arsenic. Arsenic is a known co-carcinogen that enhances UVR’s carcinogenicity. However, the mechanisms of arsenic co-carcinogenesis are not well understood. In this study, we utilized primary human keratinocytes and a hairless mouse model to investigate the carcinogenic and mutagenic properties of co-exposure to arsenic and UVR. In vitro and in vivo exposures revealed that, on its own, arsenic is neither mutagenic nor carcinogenic. However, in combination with UVR, arsenic exposure has a synergistic effect leading to an accelerated mouse skin carcinogenesis as well as to more than 2-fold enrichment of UVR mutational burden. Notably, mutational signature ID13, previously found only in UVR-associated human skin cancers, was observed exclusively in mouse skin tumors and cell lines jointly exposed to arsenic and UVR. This signature was not observed in any model system exposed purely to arsenic or purely to UVR, making ID13 the first co-exposure signature to be reported using controlled experimental conditions. Analysis of existing genomics data from basal cell carcinomas and melanomas revealed that only a subset of human skin cancers harbor ID13 and, consistent with our experimental observations, these cancers exhibited an elevated UVR mutagenesis. Our results provide the first report of a unique mutational signature caused by a co-exposure to two environmental carcinogens and the first comprehensive evidence that arsenic is a potent co-mutagen and co-carcinogen of UVR. Importantly, our findings suggest that a large proportion of human skin cancers are not formed purely due to UVR exposure but rather due to a co-exposure of UVR and other co-mutagens such as arsenic.

Abstract Colorectal carcinoma (CRC) is a common cause of mortality 1 , but a comprehensive description of its genomic landscape is lacking 2–9 . Here we perform whole-genome sequencing of 2,023 CRC samples from participants in the UK 100,000 Genomes Project, thereby providing a highly detailed somatic mutational landscape of this cancer. Integrated analyses identify more than 250 putative CRC driver genes, many not previously implicated in CRC or other cancers, including several recurrent changes outside the coding genome. We extend the molecular pathways involved in CRC development, define four new common subgroups of microsatellite-stable CRC based on genomic features and show that these groups have independent prognostic associations. We also characterize several rare molecular CRC subgroups, some with potential clinical relevance, including cancers with both microsatellite and chromosomal instability. We demonstrate a spectrum of mutational profiles across the colorectum, which reflect aetiological differences. These include the role of Escherichia coli pks+ colibactin in rectal cancers 10 and the importance of the SBS93 signature 11–13 , which suggests that diet or smoking is a risk factor. Immune-escape driver mutations 14 are near-ubiquitous in hypermutant tumours and occur in about half of microsatellite-stable CRCs, often in the form of HLA copy number changes. Many driver mutations are actionable, including those associated with rare subgroups (for example, BRCA1 and IDH1 ), highlighting the role of whole-genome sequencing in optimizing patient care.

Summary Malignant Pleural Mesothelioma (MPM) is an aggressive cancer with rising incidence and challenging clinical management. Using the largest series of whole-genome sequencing data integrated with transcriptomic and epigenomic data using multi-omic factor analysis, we demonstrate that MPM heterogeneity arises from four sources of variation: tumor cell morphology, ploidy, adaptive immune response, and CpG island methylator phenotype. Previous genomic studies focused on describing only the tumor cell morphology factor, although we robustly find the three other sources in all publicly available cohorts. We prove how these sources of variation explain the biological functions performed by the cancer cells, and how genomic events shape MPM molecular profiles. We show how these new sources of variation help understand the heterogeneity of the clinical behavior of MPM and drug responses measured in cell lines. These findings unearth the interplay between MPM functional biology and its genomic history, and ultimately, inform classification, prognostication and treatment. Graphical abstract