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.

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 Motivation: The increasing availability of mitochondria-targeted and off-target sequencing data in whole-exome and whole-genome sequencing studies (WXS and WGS) has risen the demand of effective pipelines to accurately measure heteroplasmy and to easily recognize the most functionally important mitochondrial variants among a huge number of candidates. To this purpose, we developed MToolBox, a highly automated pipeline to reconstruct and analyze human mitochondrial DNA from high-throughput sequencing data. Results: MToolBox implements an effective computational strategy for mitochondrial genomes assembling and haplogroup assignment also including a prioritization analysis of detected variants. MToolBox provides a Variant Call Format file featuring, for the first time, allele-specific heteroplasmy and annotation files with prioritized variants. MToolBox was tested on simulated samples and applied on 1000 Genomes WXS datasets. Availability and implementation: MToolBox package is available at https://sourceforge.net/projects/mtoolbox/ . Contact: marcella.attimonelli@uniba.it Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Summary Methylation on CpG residues is one of the most important epigenetic modifications of nuclear DNA, regulating gene expression. Methylation of mitochondrial DNA (mtDNA) has been studied using whole genome bisulfite sequencing (WGBS), but recent evidence has uncovered major technical issues which introduce a potential bias during methylation quantification. Here, we validate the technical concerns with WGBS, and then develop and assess the accuracy of a protocol for variant-specific methylation identification using long-read Oxford Nanopore Sequencing. Our approach circumvents mtDNA-specific confounders, while enriching for native full-length molecules over nuclear DNA. Variant calling analysis against Illumina deep re-sequencing showed that all expected mtDNA variants can be reliably identified. Methylation calling revealed negligible mtDNA methylation levels in multiple human primary and cancer cell lines. In conclusion, our protocol enables the reliable analysis of epigenetic modifications of mtDNA at single-molecule level at single base resolution, with potential applications beyond methylation. Motivation Although whole genome bisulfite sequencing (WGBS) is the gold-standard approach to determine base-level CpG methylation in the nuclear genome, emerging technical issues raise questions about its reliability for evaluating mitochondrial DNA (mtDNA) methylation. Concerns include mtDNA strand asymmetry rendering the C-rich light strand disproportionately vulnerable the chemical modifications introduced with WGBS. Also, short-read sequencing can result in a co-amplification of nuclear sequences originating from ancestral mtDNA with a high nucleotide similarity. Lastly, calling mtDNA alleles with varying proportions (heteroplasmy) is complicated by the C-to-T conversion introduced by WGBS on unmethylated CpGs. Here, we propose an alternative protocol to quantify methyl-CpGs in mtDNA, at single-molecule level, using Oxford Nanopore Sequencing (ONS). By optimizing the standard ONS library preparation, we achieved selective enrichment of native mtDNA and accurate single nucleotide variant and CpG methylation calling, thus overcoming previous limitations.

ABSTRACT Most human protein-coding genes are regulated by multiple, distinct promoters, suggesting that the choice of promoter is as important as its level of transcriptional activity. While the role of promoters as driver elements in cancer has been recognized, the contribution of alternative promoters to regulation of the cancer transcriptome remains largely unexplored. Here we infer active promoters using RNA-Seq data from 1,188 cancer samples with matched whole genome sequencing data. We find that alternative promoters are a major contributor to context-specific regulation of isoform expression and that alternative promoters are frequently deregulated in cancer, affecting known cancer-genes and novel candidates. Our study suggests that a highly dynamic landscape of active promoters shapes the cancer transcriptome, opening many opportunities to further explore the interplay of regulatory mechanism and noncoding somatic mutations with transcriptional aberrations in cancer.

We present the most comprehensive catalogue of cancer-associated gene alterations through characterization of tumor transcriptomes from 1,188 donors of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes project. Using matched whole-genome sequencing data, we attributed RNA alterations to germline and somatic DNA alterations, revealing likely genetic mechanisms. We identified 444 associations of gene expression with somatic non-coding single-nucleotide variants. We found 1,872 splicing alterations associated with somatic mutation in intronic regions, including novel exonization events associated with Alu elements. Somatic copy number alterations were the major driver of total gene and allele-specific expression (ASE) variation. Additionally, 82% of gene fusions had structural variant support, including 75 of a novel class called "bridged" fusions, in which a third genomic location bridged two different genes. Globally, we observe transcriptomic alteration signatures that differ between cancer types and have associations with DNA mutational signatures. Given this unique dataset of RNA alterations, we also identified 1,012 genes significantly altered through both DNA and RNA mechanisms. Our study represents an extensive catalog of RNA alterations and reveals new insights into the heterogeneous molecular mechanisms of cancer gene alterations.

Cancers develop through somatic mutagenesis, however germline genetic variation can markedly contribute to tumorigenesis via diverse mechanisms. We discovered and phased 88 million germline single nucleotide variants, short insertions/deletions, and large structural variants in whole genomes from 2,642 cancer patients, and employed this genomic resource to study genetic determinants of somatic mutagenesis across 39 cancer types. Our analyses implicate damaging germline variants in a variety of cancer predisposition and DNA damage response genes with specific somatic mutation patterns. Mutations in the MBD4 DNA glycosylase gene showed association with elevated C>T mutagenesis at CpG dinucleotides, a ubiquitous mutational process acting across tissues. Analysis of somatic structural variation exposed complex rearrangement patterns, involving cycles of templated insertions and tandem duplications, in BRCA1-deficient tumours. Genome-wide association analysis implicated common genetic variation at the APOBEC3 gene cluster with reduced basal levels of somatic mutagenesis attributable to APOBEC cytidine deaminases across cancer types. We further inferred over a hundred polymorphic L1/LINE elements with somatic retrotransposition activity in cancer. Our study highlights the major impact of rare and common germline variants on mutational landscapes in cancer.

Cancer is characterised by somatic genetic variation, but the effect of the majority of non-coding somatic variants and the interface with the germline genome are still unknown. We analysed the whole genome and RNA-seq data from 1,188 human cancer patients as provided by the Pan-cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) project to map cis expression quantitative trait loci of somatic and germline variation and to uncover the causes of allele-specific expression patterns in human cancers. The availability of the first large-scale dataset with both whole genome and gene expression data enabled us to uncover the effects of the non-coding variation on cancer. In addition to confirming known regulatory effects, we identified novel associations between somatic variation and expression dysregulation, in particular in distal regulatory elements. Finally, we uncovered links between somatic mutational signatures and gene expression changes, including TERT and LMO2, and we explained the inherited risk factors in APOBEC-related mutational processes. This work represents the first large-scale assessment of the effects of both germline and somatic genetic variation on gene expression in cancer and creates a valuable resource cataloguing these effects.