Transposable elements (TEs) have been shown to contain functional binding sites for certain transcription factors (TFs). However, the extent to which TEs contribute to the evolution of TF binding sites is not well known. We comprehensively mapped binding sites for 26 pairs of orthologous TFs in two pairs of human and mouse cell lines (representing two cell lineages), along with epigenomic profiles, including DNA methylation and six histone modifications. Overall, we found that 20% of binding sites were embedded within TEs. This number varied across different TFs, ranging from 2% to 40%. We further identified 710 TF–TE relationships in which genomic copies of a TE subfamily contributed a significant number of binding peaks for a TF, and we found that LTR elements dominated these relationships in human. Importantly, TE-derived binding peaks were strongly associated with open and active chromatin signatures, including reduced DNA methylation and increased enhancer-associated histone marks. On average, 66% of TE-derived binding events were cell type-specific with a cell type-specific epigenetic landscape. Most of the binding sites contributed by TEs were species-specific, but we also identified binding sites conserved between human and mouse, the functional relevance of which was supported by a signature of purifying selection on DNA sequences of these TEs. Interestingly, several TFs had significantly expanded binding site landscapes only in one species, which were linked to species-specific gene functions, suggesting that TEs are an important driving force for regulatory innovation. Taken together, our data suggest that TEs have significantly and continuously shaped gene regulatory networks during mammalian evolution.

To broaden our understanding of the evolution of gene regulation mechanisms, we generated occupancy profiles for 34 orthologous transcription factors (TFs) in human–mouse erythroid progenitor, lymphoblast and embryonic stem-cell lines. By combining the genome-wide transcription factor occupancy repertoires, associated epigenetic signals, and co-association patterns, here we deduce several evolutionary principles of gene regulatory features operating since the mouse and human lineages diverged. The genomic distribution profiles, primary binding motifs, chromatin states, and DNA methylation preferences are well conserved for TF-occupied sequences. However, the extent to which orthologous DNA segments are bound by orthologous TFs varies both among TFs and with genomic location: binding at promoters is more highly conserved than binding at distal elements. Notably, occupancy-conserved TF-occupied sequences tend to be pleiotropic; they function in several tissues and also co-associate with many TFs. Single nucleotide variants at sites with potential regulatory functions are enriched in occupancy-conserved TF-occupied sequences. As part of the mouse ENCODE project, genome-wide transcription factor (TF) occupancy repertoires and co-association patterns in mice and humans are studied; many aspects are conserved but the extent to which orthologous DNA segments are bound by TFs in mice and humans varies both among TFs and genomic location, and TF-occupied sequences whose occupancy is conserved tend to be pleiotropic and enriched for single nucleotide variants with known regulatory potential. As part of the mouse ENCODE project Mike Snyder and colleagues studied the genome-wide transcription factor (TF) occupancy repertoires, associated epigenetic signals, and TF co-association patterns in mice and humans to broaden our understanding of the evolution of gene regulation mechanisms in mammals. The results indicate that although many aspects of TF occupied sequences are conserved in both species, the extent to which orthologous DNA segments are bound by orthologous TFs in human and mouse varies both among TFs and with genomic location. Importantly, TF occupied sequences with conserved occupancy tend to be pleiotropic; they are also enriched for single nucleotide variants (SNVs) that are known to have regulatory potential or are associated with known phenotypes.

Abstract The identification of chromosome number alterations is now widespread in cancer research, but three features of genomic data hinder copy number calling and downstream analyses: the purity of the tumour sample, intra-tumour heterogeneity, and the ploidy of the tumour. To assess these features, consensus methods are often utilised, though these become onerous in projects that involve thousands of genomes. To facilitate the validation of clonal and subclonal copy number variants we present CNAqc, an evolution-inspired toolset that leverages the known quantitative relationships of purity, ploidy and heterogeneity. We validate the algorithms in CNAqc using low-pass single-cell data, as well as extensive simulations. Its application is demonstrated using over 4000 whole genomes and exomes from TCGA, and PCAWG. A real world application of CNAqc in the analysis of clinical tumour samples, has been demonstrated by its incorporation into the validation of clinically accredited bioinformatics pipeline at Genomics England. Our approach is compatible with most bioinformatic pipelines and designed to augment algorithms with automated quality control procedures for data validation.

Summary DNA base damage is a major source of oncogenic mutations 1 . Such damage can produce strand-phased mutation patterns and multiallelic variation through the process of lesion segregation 2 . Here, we exploited these properties to reveal how strand-asymmetric processes, such as replication and transcription, shape DNA damage and repair. Despite distinct mechanisms of leading and lagging strand replication 3,4 , we observe identical fidelity and damage tolerance for both strands. For small DNA adducts, our results support a model in which the same translesion polymerase is recruited on-the-fly to both replication strands, starkly contrasting the strand asymmetric tolerance of bulky adducts 5 . We find that DNA damage tolerance is also common during transcription, where RNA-polymerases frequently bypass lesions without triggering repair. At multiple genomic scales, we show the pattern of DNA damage induced mutations is largely shaped by the influence of DNA accessibility on repair efficiency, rather than gradients of DNA damage. Finally, we reveal specific genomic conditions that can corrupt the fidelity of nucleotide excision repair and actively drive oncogenic mutagenesis. These results provide insight into how strand-asymmetric mechanisms underlie the formation, tolerance, and repair of DNA damage, thereby shaping cancer genome evolution.

Abstract DNA base damage is a major source of oncogenic mutations 1 . Such damage can produce strand-phased mutation patterns and multiallelic variation through the process of lesion segregation 2 . Here we exploited these properties to reveal how strand-asymmetric processes, such as replication and transcription, shape DNA damage and repair. Despite distinct mechanisms of leading and lagging strand replication 3,4 , we observe identical fidelity and damage tolerance for both strands. For small alkylation adducts of DNA, our results support a model in which the same translesion polymerase is recruited on-the-fly to both replication strands, starkly contrasting the strand asymmetric tolerance of bulky UV-induced adducts 5 . The accumulation of multiple distinct mutations at the site of persistent lesions provides the means to quantify the relative efficiency of repair processes genome wide and at single-base resolution. At multiple scales, we show DNA damage-induced mutations are largely shaped by the influence of DNA accessibility on repair efficiency, rather than gradients of DNA damage. Finally, we reveal specific genomic conditions that can actively drive oncogenic mutagenesis by corrupting the fidelity of nucleotide excision repair. These results provide insight into how strand-asymmetric mechanisms underlie the formation, tolerance and repair of DNA damage, thereby shaping cancer genome evolution.

Abstract Many transposable elements (TEs) contain transcription factor binding sites and are implicated as potential regulatory elements. However, TEs are rarely functionally tested for regulatory activity, which in turn limits our understanding of how TE regulatory activity has evolved. We systematically tested the human LTR18A subfamily for regulatory activity using massively parallel reporter assay (MPRA) and found AP-1 and C/EBP-related binding motifs as drivers of enhancer activity. Functional analysis of evolutionarily reconstructed ancestral sequences revealed that LTR18A elements have generally lost regulatory activity over time through sequence changes, with the largest effects occurring due to mutations in the AP-1 and C/EBP motifs. We observed that the two motifs are conserved at higher rates than expected based on neutral evolution. Finally, we identified LTR18A elements as potential enhancers in the human genome, primarily in epithelial cells. Together, our results provide a model for the origin, evolution, and co-option of TE-derived regulatory elements.

Cancers arise through the acquisition of oncogenic mutations and grow through clonal expansion 1,2. Here we reveal that most mutagenic DNA lesions are not resolved as mutations within a single cell-cycle. Instead, DNA lesions segregate unrepaired into daughter cells for multiple cell generations, resulting in the chromosome-scale phasing of subsequent mutations. We characterise this process in mutagen-induced mouse liver tumours and show that DNA replication across persisting lesions can generate multiple alternative alleles in successive cell divisions, thereby increasing both multi-allelic and combinatorial genetic diversity. The phasing of lesions enables the accurate measurement of strand biased repair processes, the quantification of oncogenic selection, and the fine mapping of sister chromatid exchange events. Finally, we demonstrate that lesion segregation is a unifying property of exogenous mutagens, including UV light and chemotherapy agents in human cells and tumours, which has profound implications for the evolution and adaptation of cancer genomes.