Summary

 For a decade, The Cancer Genome Atlas (TCGA) program collected clinicopathologic annotation data along with multi-platform molecular profiles of more than 11,000 human tumors across 33 different cancer types. TCGA clinical data contain key features representing the democratized nature of the data collection process. To ensure proper use of this large clinical dataset associated with genomic features, we developed a standardized dataset named the TCGA Pan-Cancer Clinical Data Resource (TCGA-CDR), which includes four major clinical outcome endpoints. In addition to detailing major challenges and statistical limitations encountered during the effort of integrating the acquired clinical data, we present a summary that includes endpoint usage recommendations for each cancer type. These TCGA-CDR findings appear to be consistent with cancer genomics studies independent of the TCGA effort and provide opportunities for investigating cancer biology using clinical correlates at an unprecedented scale.

Cancer progression involves the gradual loss of a differentiated phenotype and acquisition of progenitor and stem-cell-like features. Here, we provide novel stemness indices for assessing the degree of oncogenic dedifferentiation. We used an innovative one-class logistic regression (OCLR) machine-learning algorithm to extract transcriptomic and epigenetic feature sets derived from non-transformed pluripotent stem cells and their differentiated progeny. Using OCLR, we were able to identify previously undiscovered biological mechanisms associated with the dedifferentiated oncogenic state. Analyses of the tumor microenvironment revealed unanticipated correlation of cancer stemness with immune checkpoint expression and infiltrating immune cells. We found that the dedifferentiated oncogenic phenotype was generally most prominent in metastatic tumors. Application of our stemness indices to single-cell data revealed patterns of intra-tumor molecular heterogeneity. Finally, the indices allowed for the identification of novel targets and possible targeted therapies aimed at tumor differentiation.

We conducted the largest investigation of predisposition variants in cancer to date, discovering 853 pathogenic or likely pathogenic variants in 8% of 10,389 cases from 33 cancer types. Twenty-one genes showed single or cross-cancer associations, including novel associations of SDHA in melanoma and PALB2 in stomach adenocarcinoma. The 659 predisposition variants and 18 additional large deletions in tumor suppressors, including ATM, BRCA1, and NF1, showed low gene expression and frequent (43%) loss of heterozygosity or biallelic two-hit events. We also discovered 33 such variants in oncogenes, including missenses in MET, RET, and PTPN11 associated with high gene expression. We nominated 47 additional predisposition variants from prioritized VUSs supported by multiple evidences involving case-control frequency, loss of heterozygosity, expression effect, and co-localization with mutations and modified residues. Our integrative approach links rare predisposition variants to functional consequences, informing future guidelines of variant classification and germline genetic testing in cancer.

We characterized the epigenetic landscape of genes encoding long noncoding RNAs (lncRNAs) across 6,475 tumors and 455 cancer cell lines. In stark contrast to the CpG island hypermethylation phenotype in cancer, we observed a recurrent hypomethylation of 1,006 lncRNA genes in cancer, including EPIC1 (epigenetically-induced lncRNA1). Overexpression of EPIC1 is associated with poor prognosis in luminal B breast cancer patients and enhances tumor growth in vitro and in vivo. Mechanistically, EPIC1 promotes cell-cycle progression by interacting with MYC through EPIC1's 129–283 nt region. EPIC1 knockdown reduces the occupancy of MYC to its target genes (e.g., CDKN1A, CCNA2, CDC20, and CDC45). MYC depletion abolishes EPIC1's regulation of MYC target and luminal breast cancer tumorigenesis in vitro and in vivo.

Hippo signaling has been recognized as a key tumor suppressor pathway. Here, we perform a comprehensive molecular characterization of 19 Hippo core genes in 9,125 tumor samples across 33 cancer types using multidimensional “omic” data from The Cancer Genome Atlas. We identify somatic drivers among Hippo genes and the related microRNA (miRNA) regulators, and using functional genomic approaches, we experimentally characterize YAP and TAZ mutation effects and miR-590 and miR-200a regulation for TAZ. Hippo pathway activity is best characterized by a YAP/TAZ transcriptional target signature of 22 genes, which shows robust prognostic power across cancer types. Our elastic-net integrated modeling further reveals cancer-type-specific pathway regulators and associated cancer drivers. Our results highlight the importance of Hippo signaling in squamous cell cancers, characterized by frequent amplification of YAP/TAZ, high expression heterogeneity, and significant prognostic patterns. This study represents a systems-biology approach to characterizing key cancer signaling pathways in the post-genomic era.

Abstract Primary template-directed amplification (PTA) is an improved amplification technique for single-cell DNA sequencing. We generated whole-genome analysis of 76 single neurons and developed SCAN2, a computational method to accurately identify both clonal and non-clonal somatic (i.e., limited to a single neuron) single nucleotide variants (SNVs) and small insertions and deletions (indels) using PTA data. Our analysis confirms an increase in non-clonal somatic mutation in single neurons with age, but revises estimates for the rate of this accumulation to be 15 SNVs per year. We also identify artifacts in other amplification methods. Most importantly, we show that somatic indels also increase by at least 2 indels per year per neuron and that indels may have a larger impact on gene function than somatic SNVs in human neurons.

SUMMARY Characterizing the mechanisms of somatic mutations in the brain is important for understanding aging and disease, but little is known about the mutational patterns of different cell types. We performed whole-genome sequencing of 71 oligodendrocytes and 51 neurons from neurotypical individuals (0.4 to 104 years old) and identified >67,000 somatic single nucleotide variants (sSNVs) and small insertions and deletions (indels). While both cell types accumulate mutations with age, oligodendrocytes accumulate sSNVs 69% faster than neurons (27/year versus 16/year) whereas indels accumulate 42% slower (1.8/year versus 3.1/year). Correlation with single-cell RNA and chromatin accessibility from the same brains revealed that oligodendrocyte mutations are enriched in inactive genomic regions and are distributed similarly to mutations in brain cancers. In contrast, neuronal mutations are enriched in open, transcriptionally active chromatin. These patterns highlight differences in the mutagenic processes in glia and neurons and suggest cell type-specific, age-related contributions to neurodegeneration and oncogenesis.

Abstract Mutations that occur in cells of the body, called somatic mutations, cause human diseases including cancer and some neurological disorders 1 . In a recent study published in Nature, Lee et al. 2 (hereafter “the Lee study”) reported somatic copy number gains of the APP gene, a known risk locus of Alzheimer’s disease (AD), in the neurons of AD-patients and controls (69% vs 25% of neurons with at least one APP copy gain on average). The authors argue that the mechanism of these copy number gains was somatic integration of APP mRNA into the genome, creating what they called genomic cDNA (gencDNA). We reanalyzed the data from the Lee study, revealing evidence that APP gencDNA originates mainly from contamination by exogenous APP recombinant vectors, rather from true somatic retrotransposition of endogenous APP . Our reanalysis of two recent whole exome sequencing (WES) datasets—one by the authors of the Lee study 3 and the other by Park et al. 4 —revealed that reads claimed to support APP gencDNA in AD samples resulted from contamination by PCR products and mRNA, respectively. Lastly, we present our own single-cell whole genome sequencing (scWGS) data that show no evidence for somatic APP retrotransposition in AD neurons or in neurons from normal individuals of various ages.

Summary Alzheimer’s disease (AD) is an age-associated neurodegenerative disorder characterized by progressive neuronal loss and pathological accumulation of the misfolded proteins amyloid-β and tau 1,2 . Neuroinflammation mediated by microglia and brain-resident macrophages plays a crucial role in AD pathogenesis 1–5 , though the mechanisms by which age, genes, and other risk factors interact remain largely unknown. Somatic mutations accumulate with age and lead to clonal expansion of many cell types, contributing to cancer and many non-cancer diseases 6,7 . Here we studied somatic mutation in normal aged and AD brains by three orthogonal methods and in three independent AD cohorts. Analysis of bulk RNA sequencing data from 866 samples from different brain regions revealed significantly higher (∼two-fold) overall burdens of somatic single-nucleotide variants (sSNVs) in AD brains compared to age-matched controls. Molecular-barcoded deep (>1000X) gene panel sequencing of 311 prefrontal cortex samples showed enrichment of sSNVs and somatic insertions and deletions (sIndels) in cancer driver genes in AD brain compared to control, with recurrent, and often multiple, mutations in genes implicated in clonal hematopoiesis (CH) 8,9 . Pathogenic sSNVs were enriched in CSF1R+ microglia of AD brains, and the high proportion of microglia (up to 40%) carrying some sSNVs in cancer driver genes suggests mutation-driven microglial clonal expansion (MiCE). Analysis of single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq) from temporal neocortex of 62 additional AD cases and controls exhibited nominally increased mosaic chromosomal alterations (mCAs) associated with CH 10,11 . Microglia carrying mCA showed upregulated pro-inflammatory genes, resembling the transcriptomic features of disease-associated microglia (DAM) in AD. Our results suggest that somatic driver mutations in microglia are common with normal aging but further enriched in AD brain, driving MiCE with inflammatory and DAM signatures. Our findings provide the first insights into microglial clonal dynamics in AD and identify potential new approaches to AD diagnosis and therapy.

Importance Anti-β-amyloid immunotherapy using lecanemab is becoming increasingly available to patients with Alzheimer disease (AD). Individuals with Down syndrome (DS) develop AD neuropathology by age 40 years, representing a significant cohort of genetically determined AD. Objective To investigate the binding properties of lecanemab in the brains of people with DS, in anticipation of their inclusion in clinical trials or access to antiamyloid immunotherapies. Design, Setting, Participants The study included cases of postmortem brain tissue analysis from 15 individuals with DS aged 43 to 68 years that were acquired from Alzheimer Disease research centers at the University of California, Irvine and the University of Kentucky from 2008 to 2021. Data were analyzed from August 2023 through May 2024. Exposure The binding properties of lecanemab were assessed in brain tissue. Main Outcome The primary outcome was the extent of lecanemab binding to amyloid plaques and brain blood vessels. Results Tissue from 15 people (8 were female [53%]) with DS ranging in age from 43 to 68 (mean, 56.6) years were included in the study. Lecanemab-labeled amyloid plaques appeared in all 15 DS cases studied, indicating potential target engagement. However, extensive binding of lecanemab to brain blood vessels in DS was observed, raising significant safety concerns. These findings underscore the necessity for clinical trials of lecanemab in people with DS to evaluate both safety and efficacy, particularly in individuals older than 43 years. Conclusions and Relevance These findings suggest significant binding of lecanemab to cerebral amyloid angiopathy in DS. Lecanemab should be rigorously tested in clinical trials for AD in the DS population to determine its safety and efficacy, especially in those older than 43 years.