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.

The female reproductive tract (FRT) undergoes extensive remodeling during each reproductive cycle, regulated by systemic changes in sex hormones. Whether this recurrent remodeling influences a specific organ’s aging trajectory is unknown. To address this, we systematically characterized at single-cell resolution the morphological and transcriptional changes that occur in ovary, oviduct, uterus, cervix, and vagina at each phase of the mouse estrus cycle, during decidualization, and into aging. Transcriptional and cell-to-cell communication networks in estrus cycle and aging are enriched for ECM reorganization and inflammation, two essential components of FRT remodeling. We directly link the organ-specific level of these two processes over reproductive lifespan with the gradual, age-related development of fibrosis and chronic inflammation. Our data represent a comprehensive atlas of the FRT lifespan, revealing pathological consequences of incomplete resolution of recurrent inflammation and tissue repair.

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.

SUMMARY To investigate the mechanisms driving regulatory evolution across tissues, we experimentally mapped promoters, enhancers, and gene expression in liver, brain, muscle, and testis from ten diverse mammals. The regulatory landscape around genes included both tissue-shared and tissue-specific regulatory regions, where tissue-specific promoters and enhancers evolved most rapidly. Genomic regions switching between promoters and enhancers were more common across species, and less common across tissues within a single species. Long Interspersed Nuclear Elements (LINEs) played recurrent evolutionary roles: LINE L1s were associated with tissue-specific regulatory regions, whereas more ancient LINE L2s were associated with tissue-shared regulatory regions and with those switching between promoter and enhancer signatures across species. Our analyses of the tissue-specificity and evolutionary stability among promoters and enhancers reveal how specific LINE families have helped shape the dynamic mammalian regulome. HIGHLIGHTS Tissue-specific regulatory regions evolve faster than tissue-shared Switching promoter and enhancer regulatory roles is frequent in evolution LINE L1s contribute to the evolution of tissue-specific regulatory regions LINE L2s are associated with broad tissue activity and dynamic regulatory signatures

ABSTRACT Background DNA methylation is an important epigenetic modification which has numerous roles in modulating genome function. Its levels are spatially correlated across the genome, typically high in repressed regions but low in transcription factor (TF) binding sites and active regulatory regions. However, the mechanisms establishing genome-wide and TF binding site methylation patterns are still unclear. Results We used a comparative approach to investigate the association of DNA methylation to TF binding evolution in mammals. Specifically, we experimentally profiled DNA methylation and combined this with published occupancy profiles of five distinct TFs (CTCF, CEBPA, HNF4A, ONECUT1, FOXA1) in the liver of five mammalian species (human, macaque, mouse, rat, dog). TF binding sites were lowly methylated, but they often also had intermediate methylation levels. Employing a classification and clustering approach, we extracted distinct and species conserved patterns of DNA methylation levels at TF bound regions. CEBPA, HNF4A, ONECUT1 and FOXA1 shared the same methylation patterns, while CTCF’s differed. These patterns characterize alternative functions and chromatin landscapes of TF bound regions. Leveraging our phylogenetic framework, we found DNA methylation gain upon evolutionary loss of TF occupancy, indicating coordinated evolution. Furthermore, each methylation pattern has its own evolutionary trajectory reflecting its genomic contexts. Conclusions Our epigenomic analyses found that specific DNA methylation profiles characterize TF binding, and are associated to their regulatory activity, chromatin contexts, and evolutionary trajectories.

ABSTRACT The mammalian body plan is shaped by rhythmic segmentation of mesoderm into somites, which are transient embryonic structures consisting of hundreds of cells that form down each side of the neural tube. We have systematically analysed the genome-wide transcriptional and chromatin dynamics occurring within nascent somites, from early inception of somitogenesis to the latest stages of body plan establishment. We created matched gene expression and open chromatin maps for the three leading pairs of somites at six time points during embryonic development. Here we show that the rate of somite differentiation accelerates as development progresses. We identified a conserved maturation programme followed by all somites after segmentation, but somites from more developed embryos concomitantly switch on differentiation programmes from derivative cell lineages soon after segmentation. Integrated analysis of the somitic transcriptional and chromatin activities revealed opposing regulatory modules controlling the onset of differentiation. We identified transcription factors expressed during early development that inhibit the activity of proteins required for commitment and differentiation of skeletal cell populations. Our results provide a powerful, high-resolution view of the molecular genetics underlying somitic development in mammals.

The Four Core Genotypes (FCG) is a mouse model system heavily used to disentangle the function of sex chromosomes and hormones. We report that a copy of a 3.2 MB region of the X chromosome has translocated to the YSry- chromosome and thus increased the expression of multiple genes including the auto-immune master regulator Tlr7. This previously-unreported X-Y translocation complicates the interpretation of studies reliant on FCG mice.

Structural variants can contribute to oncogenesis through a variety of mechanisms, yet, despite their importance, the identification of structural variants in cancer genomes remains challenging. Here, we present an integrative framework for comprehensively identifying structural variation in cancer genomes. For the first time, we apply next-generation optical mapping, high-throughput chromosome conformation capture (Hi-C) techniques, and whole genome sequencing to systematically detect SVs in a variety of cancer cells. Using this approach, we identify and characterize structural variants in up to 29 commonly used normal and cancer cell lines. We find that each method has unique strengths in identifying different classes of structural variants and at different scales, suggesting that integrative approaches are likely the only way to comprehensively identify structural variants in the genome. Studying the impact of the structural variants in cancer cell lines, we identify widespread structural variation events affecting replication timing and the functions of non-coding sequences in the genome, including the deletion of distal regulatory sequences, alteration of DNA replication timing, and the creation of novel 3D chromatin structural domains. These results underscore the importance of comprehensive structural variant identification and indicate that non-coding structural variation may be an underappreciated mutational process in cancer genomes.

Understanding male fertility requires an in-depth characterisation of spermatogenesis, the developmental process by which male gametes are generated. Spermatogenesis occurs continuously throughout a male's reproductive window and involves a complex sequence of developmental steps, both of which make this process difficult to decipher at the molecular level. To overcome this, we transcriptionally profiled single cells from multiple distinct stages during the first wave of spermatogenesis, where the most mature germ cell type is known. This naturally enriches for spermatogonia and somatic cell types present at very low frequencies in adult testes. Our atlas, available as a shiny app (https://marionilab.cruk.cam.ac.uk/SpermatoShiny), allowed us to reconstruct the three main processes of spermatogenesis: spermatogonial differentiation, meiosis, and spermiogenesis. Additionally, we profiled the chromatin changes associated with meiotic silencing of the X chromosome, revealing a set of genes specifically and strongly repressed by H3K9me3 in the spermatocyte stage, but which escape post-meiotic silencing in spermatids.

CTCF binding contributes to the establishment of higher order genome structure by demarcating the boundaries of large-scale topologically associating domains (TADs). We have carried out an experimental and computational study that exploits the natural genetic variation across five closely related species to assess how CTCF binding patterns stably fixed by evolution in each species contribute to the establishment and evolutionary dynamics of TAD boundaries. We performed CTCF ChIP-seq in multiple mouse species to create genome-wide binding profiles and associated them with TAD boundaries. Our analyses reveal that CTCF binding is maintained at TAD boundaries by an equilibrium of selective constraints and dynamic evolutionary processes. Regardless of their conservation across species, CTCF binding sites at TAD boundaries are subject to stronger sequence and functional constraints compared to other CTCF sites. TAD boundaries frequently harbor rapidly evolving clusters containing both evolutionary old and young CTCF sites as a result of repeated acquisition of new species-specific sites close to conserved ones. The overwhelming majority of clustered CTCF sites colocalize with cohesin and are significantly closer to gene transcription start sites than nonclustered CTCF sites, suggesting that CTCF clusters particularly contribute to cohesin stabilization and transcriptional regulation. Overall, CTCF site clusters are an apparently important feature of CTCF binding evolution that are critical the functional stability of higher order chromatin structure.