Abstract About half of all cancers have somatic integrations of retrotransposons. Here, to characterize their role in oncogenesis, we analyzed the patterns and mechanisms of somatic retrotransposition in 2,954 cancer genomes from 38 histological cancer subtypes within the framework of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) project. We identified 19,166 somatically acquired retrotransposition events, which affected 35% of samples and spanned a range of event types. Long interspersed nuclear element (LINE-1; L1 hereafter) insertions emerged as the first most frequent type of somatic structural variation in esophageal adenocarcinoma, and the second most frequent in head-and-neck and colorectal cancers. Aberrant L1 integrations can delete megabase-scale regions of a chromosome, which sometimes leads to the removal of tumor-suppressor genes, and can induce complex translocations and large-scale duplications. Somatic retrotranspositions can also initiate breakage–fusion–bridge cycles, leading to high-level amplification of oncogenes. These observations illuminate a relevant role of 22 L1 retrotransposition in remodeling the cancer genome, with potential implications for the development of human tumors.

Abstract Transcript alterations often result from somatic changes in cancer genomes 1 . Various forms of RNA alterations have been described in cancer, including overexpression 2 , altered splicing 3 and gene fusions 4 ; however, it is difficult to attribute these to underlying genomic changes owing to heterogeneity among patients and tumour types, and the relatively small cohorts of patients for whom samples have been analysed by both transcriptome and whole-genome sequencing. Here we present, to our knowledge, the most comprehensive catalogue of cancer-associated gene alterations to date, obtained by characterizing tumour transcriptomes from 1,188 donors of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA) 5 . Using matched whole-genome sequencing data, we associated several categories of RNA alterations with germline and somatic DNA alterations, and identified probable genetic mechanisms. Somatic copy-number alterations were the major drivers of variations in total gene and allele-specific expression. We identified 649 associations of somatic single-nucleotide variants with gene expression in cis , of which 68.4% involved associations with flanking non-coding regions of the gene. We found 1,900 splicing alterations associated with somatic mutations, including the formation of exons within introns in proximity to Alu elements. In addition, 82% of gene fusions were associated with structural variants, including 75 of a new class, termed ‘bridged’ fusions, in which a third genomic location bridges two genes. We observed transcriptomic alteration signatures that differ between cancer types and have associations with variations in DNA mutational signatures. This compendium of RNA alterations in the genomic context provides a rich resource for identifying genes and mechanisms that are functionally implicated in cancer.

Abstract Nasopharyngeal carcinoma (NPC) is an aggressive malignancy with extremely skewed ethnic and geographic distributions. Increasing evidence indicates that targeting the tumor microenvironment (TME) represents a promising therapeutic approach in NPC, highlighting an urgent need to deepen the understanding of the complex NPC TME. Here, we generated single-cell transcriptome profiles for 7581 malignant cells and 40,285 immune cells from fifteen primary NPC tumors and one normal sample. We revealed malignant signatures capturing intratumoral transcriptional heterogeneity and predicting aggressiveness of malignant cells. Diverse immune cell subtypes were identified, including novel subtypes such as CLEC9A + dendritic cells (DCs). We further revealed transcriptional regulators underlying immune cell diversity, and cell–cell interaction analyses highlighted promising immunotherapeutic targets in NPC. Moreover, we established the immune subtype-specific signatures, and demonstrated that the signatures of macrophages, plasmacytoid dendritic cells (pDCs), CLEC9A + DCs, natural killer (NK) cells, and plasma cells were significantly associated with improved survival outcomes in NPC. Taken together, our findings represent a unique resource providing in-depth insights into the cellular heterogeneity of NPC TME and highlight potential biomarkers for anticancer treatment and risk stratification, laying a new foundation for precision therapies in NPC.

The antibody gene mutator activation-induced cytidine deaminase (AID) promiscuously damages oncogenes, leading to chromosomal translocations and tumorigenesis. Why nonimmunoglobulin loci are susceptible to AID activity is unknown. Here, we study AID-mediated lesions in the context of nuclear architecture and the B cell regulome. We show that AID targets are not randomly distributed across the genome but are predominantly grouped within super-enhancers and regulatory clusters. Unexpectedly, in these domains, AID deaminates active promoters and eRNA+ enhancers interconnected in some instances over megabases of linear chromatin. Using genome editing, we demonstrate that 3D-linked targets cooperate to recruit AID-mediated breaks. Furthermore, a comparison of hypermutation in mouse B cells, AID-induced kataegis in human lymphomas, and translocations in MEFs reveals that AID damages different genes in different cell types. Yet, in all cases, the targets are predominantly associated with topological complex, highly transcribed super-enhancers, demonstrating that these compartments are key mediators of AID recruitment.

ABSTRACT Stopping COVID-19 is a priority worldwide. Understanding which cell types are targeted by SARS-CoV-2 virus, whether interspecies differences exist, and how variations in cell state influence viral entry is fundamental for accelerating therapeutic and preventative approaches. In this endeavor, we profiled the transcriptome of nine tissues from a Macaca fascicularis monkey at single-cell resolution. The distribution of SARS-CoV-2 facilitators, ACE2 and TMRPSS2, in different cell subtypes showed substantial heterogeneity across lung, kidney, and liver. Through co-expression analysis, we identified immunomodulatory proteins such as IDO2 and ANPEP as potential SARS-CoV-2 targets responsible for immune cell exhaustion. Furthermore, single-cell chromatin accessibility analysis of the kidney unveiled a plausible link between IL6-mediated innate immune responses aiming to protect tissue and enhanced ACE2 expression that could promote viral entry. Our work constitutes a unique resource for understanding the physiology and pathophysiology of two phylogenetically close species, which might guide in the development of therapeutic approaches in humans. Bullet points We generated a single-cell transcriptome atlas of 9 monkey tissues to study COVID-19. ACE2 + TMPRSS2 + epithelial cells of lung, kidney and liver are targets for SARS-CoV-2. ACE2 correlation analysis shows IDO2 and ANPEP as potential therapeutic opportunities. We unveil a link between IL6, STAT transcription factors and boosted SARS-CoV-2 entry.

Abstract Integrative analysis of multi-omics layers at single cell level is critical for accurate dissection of cell-to-cell variation within certain cell populations. Here we report scCAT-seq, a technique for simultaneously assaying chromatin accessibility and the transcriptome within the same single cell. We show that the combined single cell signatures enable accurate construction of regulatory relationships between cis -regulatory elements and the target genes at single-cell resolution, providing a new dimension of features that helps direct discovery of regulatory patterns specific to distinct cell identities. Moreover, we generated the first single cell integrated maps of chromatin accessibility and transcriptome in human pre-implantation embryos and demonstrated the robustness of scCAT-seq in the precise dissection of master transcription factors in cells of distinct states during embryo development. The ability to obtain these two layers of omics data will help provide more accurate definitions of “single cell state” and enable the deconvolution of regulatory heterogeneity from complex cell populations.

Abstract Domestic pig ( Sus scrofa domesticus ) has drawn much attention from researchers worldwide due to its implications in evolutionary biology, regenerative medicine and agriculture. The brain atlas of Homo sapiens (primate), Mus musculus (rodent), Danio rerio (fish) and Drosophila melanogaster (insect) have been constructed at single cell resolution, however, the cellular compositions of pig brain remain largely unexplored. In this study, we investigated the single-cell transcriptomic profiles of five distinct regions of domestic pig brain, from which we identified 21 clusters corresponding to six major cell types, characterized by unique spectrum of gene expression. By spatial comparison, we identified cell types enriched or depleted in certain brain regions. Inter-species comparison revealed cell-type similarities and divergences in hypothalamus between mouse and pig, providing invaluable resources for the evolutionary exploration of brain functions at single cell level. Besides, our study revealed cell types and molecular pathways closely associated with several diseases (obesity, anorexia, bulimia, epilepsy, intellectual disability, and autism spectrum disorder), bridging the gap between gene mutations and pathological phenotypes, which might be of great use to the development precise therapies against neural system disorders. Taken together, we reported, so far as we know, the first single cell brain atlas of Sus scrofa domesticus , followed by comprehensive comparisons across brain region and species, which could throw light upon future evo-devo, regenerative medicine, and agricultural studies.

The gut microbiome has been implicated in a variety of physiological states, but controversy over causality remains unresolved. Here, we performed bidirectional Mendelian randomization (MR) analyses on 3,432 Chinese individuals with whole genome, whole metagenome, anthropometric, and blood metabolic trait data. We identified 58 causal relationships between the gut microbiome and blood metabolites, and replicated 43 of them. Increased relative abundances of fecal Oscillibacter and Alistipes were causally linked to decreased triglyceride concentration. Conversely, blood metabolites such as glutamic acid appeared to decrease fecal Oxalobacter , and members of Proteobacteria were influenced by metabolites such as 5-methyltetrahydrofolic acid, alanine, glutamate, and selenium. Two-sample MR with data from Biobank Japan partly corroborated results with triglyceride and with uric acid, and also provided causal support for published fecal bacterial markers for cancer and cardiovascular diseases. This study illustrates the value of human genetic information to help prioritize gut microbial features for mechanistic and clinical studies.

Abstract The emergence of the novel human coronavirus, SARS-CoV-2, causes a global COVID-19 (coronavirus disease 2019) pandemic. Here, we have characterized and compared viral populations of SARS-CoV-2 among COVID-19 patients within and across households. Our work showed an active viral replication activity in the human respiratory tract and the co-existence of genetically distinct viruses within the same host. The inter-host comparison among viral populations further revealed a narrow transmission bottleneck between patients from the same households, suggesting a dominated role of stochastic dynamics in both inter-host and intra-host evolutions. Author summary In this study, we compared SARS-CoV-2 populations of 13 Chinese COVID-19 patients. Those viral populations contained a considerable proportion of viral sub-genomic messenger RNAs (sgmRNA), reflecting an active viral replication activity in the respiratory tract tissues. The comparison of 66 identified intra-host variants further showed a low viral genetic distance between intra-household patients and a narrow transmission bottleneck size. Despite the co-existence of genetically distinct viruses within the same host, most intra-host minor variants were not shared between transmission pairs, suggesting a dominated role of stochastic dynamics in both inter-host and intra-host evolutions. Furthermore, the narrow bottleneck and active viral activity in the respiratory tract show that the passage of a small number of virions can cause infection. Our data have therefore delivered a key genomic resource for the SARS-CoV-2 transmission research and enhanced our understanding of the evolutionary dynamics of SARS-CoV-2.

Abstract Cell-free RNA, including both long RNA and small RNA, has been considered important for its biological functions and potential clinical usage, but the major challenge is to effectively sequence them at the same time. Here we present PolyAdenylation Ligation Mediated-Seq (PALM-Seq), an integrated sequencing method for cell-free long and small RNA. Through terminal modification and addition of 3’ polyadenylation and 5’ adaptor, we could get mRNA, long non-coding RNA, microRNA, tRNA, piRNA and other RNAs in a single library. With target RNA depletion, all these RNAs could be sequenced with relatively low depth. Using PALM-Seq, we identified pregnant-related mRNAs, long non-coding RNAs and microRNAs in female plasma. We also applied PALM-Seq to sequence RNA from amniotic fluids, leukocytes and placentas, and could find RNA signatures associated with specific sample type. PALM-Seq provides an integrated, cost-effective and simple method to characterize the landscape of cell-free RNA, and can stimulate further progress in cell-free RNA study and usage.