The DNA cytosine deaminase APOBEC3B is shown to be overexpressed and highly active in most breast cancers; deamination by APOBEC3B could serve as an endogenous, continual source of DNA damage leading to mutations, including C-to-T transitions and other aberrations seen in many breast tumours. The profile of C-to-T transition mutations in breast cancer suggests a non-spontaneous origin. This paper shows that some of these mutations may arise from the upregulation of a cytosine deaminase, APOBEC3B (A3B), in such cancer cells. Deamination catalysed by A3B could serve as an endogenous, continual source of DNA damage that leads to mutations and DNA fragmentation, whereas inactivation of TP53, which is frequently observed in cells overexpressing A3B, would prevent the elimination of such damaged cells by apoptosis. A3B may be a useful marker for breast cancer and also a candidate for targeted intervention, especially given its non-essential nature. Several mutations are required for cancer development, and genome sequencing has revealed that many cancers, including breast cancer, have somatic mutation spectra dominated by C-to-T transitions1,2,3,4,5,6,7,8,9. Most of these mutations occur at hydrolytically disfavoured10 non-methylated cytosines throughout the genome, and are sometimes clustered8. Here we show that the DNA cytosine deaminase APOBEC3B is a probable source of these mutations. APOBEC3B messenger RNA is upregulated in most primary breast tumours and breast cancer cell lines. Tumours that express high levels of APOBEC3B have twice as many mutations as those that express low levels and are more likely to have mutations in TP53. Endogenous APOBEC3B protein is predominantly nuclear and the only detectable source of DNA C-to-U editing activity in breast cancer cell-line extracts. Knockdown experiments show that endogenous APOBEC3B correlates with increased levels of genomic uracil, increased mutation frequencies, and C-to-T transitions. Furthermore, induced APOBEC3B overexpression causes cell cycle deviations, cell death, DNA fragmentation, γ-H2AX accumulation and C-to-T mutations. Our data suggest a model in which APOBEC3B-catalysed deamination provides a chronic source of DNA damage in breast cancers that could select TP53 inactivation and explain how some tumours evolve rapidly and manifest heterogeneity.

Reuben Harris and colleagues report an analysis of gene expression and mutation data for multiple tumor types. They show that the DNA cytosine deaminase APOBEC3B is upregulated and that its preferred target sequence is frequently mutated in many types of cancer Thousands of somatic mutations accrue in most human cancers, and their causes are largely unknown. We recently showed that the DNA cytidine deaminase APOBEC3B accounts for up to half of the mutational load in breast carcinomas expressing this enzyme. Here we address whether APOBEC3B is broadly responsible for mutagenesis in multiple tumor types. We analyzed gene expression data and mutation patterns, distributions and loads for 19 different cancer types, with over 4,800 exomes and 1,000,000 somatic mutations. Notably, APOBEC3B is upregulated, and its preferred target sequence is frequently mutated and clustered in at least six distinct cancers: bladder, cervix, lung (adenocarcinoma and squamous cell carcinoma), head and neck, and breast. Interpreting these findings in the light of previous genetic, cellular and biochemical studies, the most parsimonious conclusion from these global analyses is that APOBEC3B-catalyzed genomic uracil lesions are responsible for a large proportion of both dispersed and clustered mutations in multiple distinct cancers.

An antiviral enzyme promotes drug resistance in breast cancer.

Several recent studies have converged upon the innate immune DNA cytosine deaminase APOBEC3B (A3B) as a significant source of genomic uracil lesions and mutagenesis in multiple human cancers, including those of the breast, head/neck, cervix, bladder, lung, ovary, and other tissues. A3B is upregulated in these tumor types relative to normal tissues, but the mechanism is unclear. Because A3B also has antiviral activity in multiple systems and is a member of the broader innate immune response, we tested the hypothesis that human papillomavirus (HPV) infection causes A3B upregulation. We found that A3B mRNA expression and enzymatic activity were upregulated following transfection of a high-risk HPV genome and that this effect was abrogated by inactivation of E6. Transduction experiments showed that the E6 oncoprotein alone was sufficient to cause A3B upregulation, and a panel of high-risk E6 proteins triggered higher A3B levels than did a panel of low-risk or noncancer E6 proteins. Knockdown experiments in HPV-positive cell lines showed that endogenous E6 is required for A3B upregulation. Analyses of publicly available head/neck cancer data further support this relationship, as A3B levels are higher in HPV-positive cancers than in HPV-negative cancers. Taken together with the established role for high-risk E6 in functional inactivation of TP53 and published positive correlations in breast cancer between A3B upregulation and genetic inactivation of TP53, our studies suggest a model in which high-risk HPV E6, possibly through functional inactivation of TP53, causes derepression of A3B gene transcription. This would lead to a mutator phenotype that explains the observed cytosine mutation biases in HPV-positive head/neck and cervical cancers.The innate immune DNA cytosine deaminase APOBEC3B (A3B) accounts for a large proportion of somatic mutations in cervical and head/neck cancers, but nothing is known about the mechanism responsible for its upregulation in these tumor types. Almost all cervical carcinomas and large proportions of head/neck tumors are caused by human papillomavirus (HPV) infection. Here, we establish a mechanistic link between HPV infection and A3B upregulation. The E6 oncoprotein of high-risk, but not low-risk, HPV types triggers A3B upregulation, supporting a model in which TP53 inactivation causes a derepression of A3B gene transcription and elevated A3B enzyme levels. This virus-induced mutator phenotype provides a mechanistic explanation for A3B signature mutations observed in HPV-positive head/neck and cervical carcinomas and may also help to account for the preferential cancer predisposition caused by high-risk HPV isolates.

Introductory paragraph The clinical success of targeted cancer therapy is limited by drug resistance that renders cancers lethal in patients 1-4 . Human tumours can evolve therapy resistance by acquiring de novo genetic alterations and increased heterogeneity via mechanisms that remain incompletely understood 1 . Here, through parallel analysis of human clinical samples, tumour xenograft and cell line models and murine model systems, we uncover an unanticipated mechanism of therapy-induced adaptation that fuels the evolution of drug resistance. Targeted therapy directed against EGFR and ALK oncoproteins in lung cancer induced adaptations favoring apolipoprotein B mRNA-editing enzyme, catalytic polypeptide (APOBEC)-mediated genome mutagenesis. In human oncogenic EGFR -driven and ALK -driven lung cancers and preclinical models, EGFR or ALK inhibitor treatment induced the expression and DNA mutagenic activity of APOBEC3B via therapy-mediated activation of NF-κB signaling. Moreover, targeted therapy also mediated downregulation of certain DNA repair enzymes such as UNG2, which normally counteracts APOBEC-catalyzed DNA deamination events. In mutant EGFR -driven lung cancer mouse models, APOBEC3B was detrimental to tumour initiation and yet advantageous to tumour progression during EGFR targeted therapy, consistent with TRACERx data demonstrating subclonal enrichment of APOBEC-mediated mutagenesis. This study reveals how cancers adapt and drive genetic diversity in response to targeted therapy and identifies APOBEC deaminases as future targets for eliciting more durable clinical benefit to targeted cancer therapy.

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 A prominent source of mutation in cancer is single-stranded DNA cytosine deamination by cellular APOBEC3 enzymes, which results in signature C-to-T and C-to-G mutations in TCA and TCT motifs. Although multiple enzymes have been implicated, reports conflict and it is unclear which protein(s) are responsible. Here we report the development of a selectable system to quantify genome mutation and demonstrate its utility by comparing the mutagenic activities of three leading candidates - APOBEC3A, APOBEC3B, and APOBEC3H. The human cell line, HAP1, is engineered to express the thymidine kinase ( TK ) gene of HSV-1, which confers sensitivity to ganciclovir. Expression of APOBEC3A and APOBEC3B, but not catalytic mutant controls or APOBEC3H, triggers increased frequencies of TK mutation and nearly indistinguishable TC-biased cytosine mutation profiles in the selectable TK reporter gene. Whole genome sequences from TK mutant clones enabled an analysis of thousands of single base substitution mutations and extraction of local sequence preferences with APOBEC3A preferring YTCW motifs over 70% of the time and APOBEC3B just under 50% of the time (Y=C/T; W=A/T). Signature comparisons with breast tumor whole genome sequences indicate that most malignancies manifest intermediate percentages of APOBEC3 signature mutations in YTCW motifs, mostly between 50 and 70%, suggesting that both enzymes are contributing in a combinatorial manner to the overall mutation landscape. Although the vast majority of APOBEC3A- and APOBEC3B-induced single base substitution mutations occur outside of predicted chromosomal DNA hairpin structures, whole genome sequence analyses and supporting biochemical studies also indicate that both enzymes are capable of deaminating the single-stranded loop regions of DNA hairpins at elevated rates relative to control conditions. These studies combine to help resolve a long-standing etiologic debate on the source of APOBEC3 signature mutations in cancer and indicate that future diagnostic and therapeutic efforts should focus on both APOBEC3A and APOBEC3B.

Tobacco usage is linked to multiple cancer types and accounts for a quarter of all cancer-related deaths. Tobacco smoke contains various carcinogenic compounds, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), though the mutagenic potential of many tobacco-related chemicals remains largely unexplored. In particular, the highly carcinogenic tobacco-specific nitrosamines NNN and NNK form pre-mutagenic pyridyloxobutyl (POB) DNA adducts. In the study presented here, we identified genome-scale POB-induced mutational signatures in cell lines and rat tumors, while also investigating their role in human cancer. These signatures are characterized by T>N and C>T mutations forming from specific POB adducts damaging dT and dC residues. Analysis of 2,780 cancer genomes uncovered POB signatures in ∼180 tumors; from cancer types distinct from the ones linked to smoking-related signatures SBS4 and SBS92. This suggests that, unlike PAH compounds, the POB pathway may contribute uniquely to the mutational landscapes of certain hematological malignancies and cancers of the kidney, breast, prostate and pancreas.

Antiviral DNA cytosine deaminases APOBEC3A and APOBEC3B are major sources of mutations in cancer by catalyzing cytosine-to-uracil deamination. APOBEC3A preferentially targets singlestranded DNAs, with a noted affinity for DNA regions that adopt stem-loop secondary structures. However, the detailed substrate preferences of APOBEC3A and APOBEC3B have been fully established, and the specific influence of the DNA sequence on APOBEC3A APOBEC3B deaminase activity remains to be investigated. Here, we find that APOBEC3B selectively targets DNA stem-loop structures, and they are distinct from those subjected deamination by APOBEC3A. We develop Oligo-seq, a novel in vitro sequencing-based to identify specific sequence contexts promoting APOBEC3A and APOBEC3B activity. Through this approach, we demonstrate that APOBEC3A an APOBEC3B deaminase activity is strongly regulated by specific sequences surrounding the targeted cytosine. Moreover, we identify structural features of APOBEC3B and APOBEC3A responsible for their substrate preferences. Importantly, we determine that APOBEC3B-induced mutations in hairpin-forming sequences within tumor genomes differ from the DNA stem-loop sequences mutated by APOBEC3A. Together, our study provides evidence that APOBEC3A and APOBEC3B can generate mutation landscapes in cancer genomes, driven by their unique substrate selectivity.