Abstract A key mutational process in cancer is structural variation, in which rearrangements delete, amplify or reorder genomic segments that range in size from kilobases to whole chromosomes 1–7 . Here we develop methods to group, classify and describe somatic structural variants, using data from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), which aggregated whole-genome sequencing data from 2,658 cancers across 38 tumour types 8 . Sixteen signatures of structural variation emerged. Deletions have a multimodal size distribution, assort unevenly across tumour types and patients, are enriched in late-replicating regions and correlate with inversions. Tandem duplications also have a multimodal size distribution, but are enriched in early-replicating regions—as are unbalanced translocations. Replication-based mechanisms of rearrangement generate varied chromosomal structures with low-level copy-number gains and frequent inverted rearrangements. One prominent structure consists of 2–7 templates copied from distinct regions of the genome strung together within one locus. Such cycles of templated insertions correlate with tandem duplications, and—in liver cancer—frequently activate the telomerase gene TERT . A wide variety of rearrangement processes are active in cancer, which generate complex configurations of the genome upon which selection can act.

Abstract Chromothripsis is a mutational phenomenon characterized by massive, clustered genomic rearrangements that occurs in cancer and other diseases. Recent studies in selected cancer types have suggested that chromothripsis may be more common than initially inferred from low-resolution copy-number data. Here, as part of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), we analyze patterns of chromothripsis across 2,658 tumors from 38 cancer types using whole-genome sequencing data. We find that chromothripsis events are pervasive across cancers, with a frequency of more than 50% in several cancer types. Whereas canonical chromothripsis profiles display oscillations between two copy-number states, a considerable fraction of events involve multiple chromosomes and additional structural alterations. In addition to non-homologous end joining, we detect signatures of replication-associated processes and templated insertions. Chromothripsis contributes to oncogene amplification and to inactivation of genes such as mismatch-repair-related genes. These findings show that chromothripsis is a major process that drives genome evolution in human cancer.

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.

Cancers comprise a heterogeneous group of human diseases. Unifying characteristics include unchecked abilities of tumor cells to proliferate and spread anatomically, and the presence of clonal advantageous genetic changes. However, universal and highly specific tumor markers are unknown. Herein, we report widespread long interspersed element-1 (LINE-1) repeat expression in human cancers. We show that nearly half of all human cancers are immunoreactive for a LINE-1-encoded protein. LINE-1 protein expression is a common feature of many types of high-grade malignant cancers, is rarely detected in early stages of tumorigenesis, and is absent from normal somatic tissues. Studies have shown that LINE-1 contributes to genetic changes in cancers, with somatic LINE-1 insertions seen in selected types of human cancers, particularly colon cancer. We sought to correlate this observation with expression of the LINE-1-encoded protein, open reading frame 1 protein, and found that LINE-1 open reading frame 1 protein is a surprisingly broad, yet highly tumor-specific, antigen.

The LINE-1 (L1) retrotransposon is an ancient genetic parasite that has written around one-third of the human genome through a 'copy and paste' mechanism catalysed by its multifunctional enzyme, open reading frame 2 protein (ORF2p)1. ORF2p reverse transcriptase (RT) and endonuclease activities have been implicated in the pathophysiology of cancer2,3, autoimmunity4,5 and ageing6,7, making ORF2p a potential therapeutic target. However, a lack of structural and mechanistic knowledge has hampered efforts to rationally exploit it. We report structures of the human ORF2p 'core' (residues 238-1061, including the RT domain) by X-ray crystallography and cryo-electron microscopy in several conformational states. Our analyses identified two previously undescribed folded domains, extensive contacts to RNA templates and associated adaptations that contribute to unique aspects of the L1 replication cycle. Computed integrative structural models of full-length ORF2p show a dynamic closed-ring conformation that appears to open during retrotransposition. We characterize ORF2p RT inhibition and reveal its underlying structural basis. Imaging and biochemistry show that non-canonical cytosolic ORF2p RT activity can produce RNA:DNA hybrids, activating innate immune signalling through cGAS/STING and resulting in interferon production6-8. In contrast to retroviral RTs, L1 RT is efficiently primed by short RNAs and hairpins, which probably explains cytosolic priming. Other biochemical activities including processivity, DNA-directed polymerization, non-templated base addition and template switching together allow us to propose a revised L1 insertion model. Finally, our evolutionary analysis demonstrates structural conservation between ORF2p and other RNA- and DNA-dependent polymerases. We therefore provide key mechanistic insights into L1 polymerization and insertion, shed light on the evolutionary history of L1 and enable rational drug development targeting L1.

Improved biomarkers are needed for early cancer detection, risk stratification, treatment selection, and monitoring treatment response. While proteins can be useful blood-based biomarkers, many have limited sensitivity or specificity for these applications. Long INterspersed Element-1 (LINE-1, L1) open reading frame 1 protein (ORF1p) is a transposable element protein overexpressed in carcinomas and high-risk precursors during carcinogenesis with negligible detectable expression in corresponding normal tissues, suggesting ORF1p could be a highly specific cancer biomarker. To explore the potential of ORF1p as a blood-based biomarker, we engineered ultrasensitive digital immunoassays that detect mid-attomolar (10-17 M) ORF1p concentrations in patient plasma samples across multiple cancers with high specificity. Plasma ORF1p shows promise for early detection of ovarian cancer, improves diagnostic performance in a multi-analyte panel, and provides early therapeutic response monitoring in gastric and esophageal cancers. Together, these observations nominate ORF1p as a multi-cancer biomarker with potential utility for disease detection and monitoring.

Abstract Vitamin C (vitC) enhances the activity of 2-oxoglutarate-dependent dioxygenases, including TET enzymes, which catalyse DNA demethylation, and Jumonji-domain histone demethylases. The epigenetic remodelling promoted by vitC improves the efficiency of induced pluripotent stem cell derivation, and is required to attain a ground-state of pluripotency in embryonic stem cells (ESCs) that closely mimics the inner cell mass of the early blastocyst. However, genome-wide DNA and histone demethylation can lead to upregulation of transposable elements (TEs), and it is not known how vitC addition in culture media affects TE expression in pluripotent stem cells. Here we show that vitC increases the expression of evolutionarily young LINE-1 (L1) elements in mouse ESCs. We find that TET activity is dispensable for these effects, and that instead L1 upregulation occurs largely as a result of H3K9me3 loss mediated by KDM4A/C histone demethylases. Despite increased L1 levels, we did not detect increased somatic insertion rates in vitC-treated cells. Notably, treatment of human ESCs with vitC also increases L1 protein levels, which could impact the genetic and epigenetic stability of human pluripotent stem cells.

Abstract Background Mobile elements are a major source of human structural variants and some mobile elements can regulate gene expression and alternative splicing. However, the impact of polymorphic mobile element insertions (pMEIs) on gene expression and splicing in diverse human tissues has not been thoroughly studied. The multi-tissue gene expression and whole genome sequencing data generated by the Genotype-Tissue Expression (GTEx) project provide a great opportunity to systematic determine pMEIs’ role in gene expression regulation in human tissues. Results Using the GTEx whole genome sequencing data, we identified 20,545 high-quality pMEIs from 639 individuals. We then identified pMEI-associated expression quantitative trait loci (eQTLs) and splicing quantitative trait loci (sQTLs) in 48 tissues by joint analysis of variants including pMEIs, single-nucleotide polymorphisms, and insertions/deletions. pMEIs were predicted to be the potential causal variant for 3,522 of the 30,147 significant eQTLs, and 3,717 of the 21,529 significant sQTLs. The pMEIs associated eQTLs and sQTLs show high level of tissue-specificity, and the pMEIs were enriched in the proximity of affected genes and in regulatory elements. Using reporter assays, we confirmed that several pMEIs associated with eQTLs and sQTLs can alter gene expression levels and isoform proportions. Conclusion Overall, our study shows that pMEIs are associated with thousands of gene expression and splicing variations in different tissues, and pMEIs could have a significant role in regulating tissue-specific gene expression/splicing. Detailed mechanisms for pMEI’s role in gene regulation in different tissues will be an important direction for future human genomic studies.

microRNAs are short RNAs that serve as master regulators of gene expression and are essential components of normal development as well as modulators of disease. MicroRNAs generally act cell autonomously and thus their localization to specific cell types is needed to guide our understanding of microRNA activity. Current tissue-level data has caused considerable confusion and comprehensive cell-level data does not yet exist. Here we establish the landscape of human cell-specific microRNA expression. This project evaluated 8 billion small RNA-seq reads from 46 primary cell types, 42 cancer or immortalized cell lines, and 26 tissues. It identified both specific and ubiquitous patterns of expression that strongly correlate with adjacent super-enhancer activity. Analysis of unaligned RNA reads uncovered 207 unknown minor strand (passenger) microRNAs of known microRNA loci and 2,632 novel putative microRNA loci. Although cancer cell lines generally recapitulated the expression patterns of matched primary cells, their isomiR sequence families exhibited increased disorder suggesting Drosha and Dicer-dependent microRNA processing variability. Cell-specific patterns of microRNA expression were used to deconvolute variable cellular composition of adipose tissue samples highlighting one use of this cell-specific microRNA expression data. Characterization of cellular microRNA expression across a wide variety of cell types provides a new understanding of this critical regulatory RNA species.