The utility of induced pluripotent stem cells (iPSCs) as models to study diseases and as sources for cell therapy depends on the integrity of their genomes. Despite recent publications of DNA sequence variations in the iPSCs, the true scope of such changes for the entire genome is not clear. Here we report the whole-genome sequencing of three human iPSC lines derived from two cell types of an adult donor by episomal vectors. The vector sequence was undetectable in the deeply sequenced iPSC lines. We identified 1,058-1,808 heterozygous single-nucleotide variants (SNVs), but no copy-number variants, in each iPSC line. Six to twelve of these SNVs were within coding regions in each iPSC line, but ~50% of them are synonymous changes and the remaining are not selectively enriched for known genes associated with cancers. Our data thus suggest that episome-mediated reprogramming is not inherently mutagenic during integration-free iPSC induction.

Fanconi anemia (FA), a model syndrome of genome instability, is caused by a deficiency in DNA interstrand crosslink (ICL) repair resulting in chromosome breakage 1–3 . The FA repair pathway comprises at least 22 FANC proteins including BRCA1 and BRCA2 4–6 , and protects against carcinogenic endogenous and exogenous aldehydes 7–10 . Individuals with FA are hundreds to thousands-fold more likely to develop head and neck (HNSCC), esophageal and anogenital squamous cell carcinomas (SCCs) with a median onset age of 31 years 11 . The aggressive nature of these tumors and poor patient tolerance of platinum and radiation-based therapy have been associated with short survival in FA 11–16 . Molecular studies of SCCs from individuals with FA (FA SCCs) have been limited, and it is unclear how they relate to sporadic HNSCCs primarily driven by tobacco and alcohol exposure or human papillomavirus (HPV) infection 17 . Here, by sequencing FA SCCs, we demonstrate that the primary genomic signature of FA-deficiency is the presence of a high number of structural variants (SVs). SVs are enriched for small deletions, unbalanced translocations, and fold-back inversions that arise in the context of TP53 loss. The SV breakpoints preferentially localize to early replicating regions, common fragile sites, tandem repeats, and SINE elements. SVs are often connected forming complex rearrangements. Resultant genomic instability underlies elevated copy number alteration (CNA) rates of key HNSCC-associated genes, including PIK3CA, MYC, CSMD1, PTPRD, YAP1, MXD4, and EGFR. In contrast to sporadic HNSCC, we find no evidence of HPV infection in FA HNSCC, although positive cases were identified in gynecologic tumors. A murine allograft model of FA pathway-deficient SCC was enriched in SVs, exhibited dramatic tumor growth advantage, more rapid epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), and enhanced autonomous inflammatory signaling when compared to an FA pathway-proficient model. In light of the protective role of the FA pathway against SV formation uncovered here, and recent findings of FA pathway insufficiency in the setting of increased formaldehyde load resulting in hematopoietic stem cell failure and carcinogenesis 18–20 , we propose that high copy-number instability in sporadic HNSCC may result from functional overload of the FA pathway by endogenous and exogenous DNA crosslinking agents. Our work lays the foundation for improved FA patient treatment and demonstrates that FA SCC is a powerful model to study tumorigenesis resulting from DNA crosslinking damage.

Abstract Fanconi anemia (FA) pathway is required for the repair of DNA interstrand crosslinks (ICL). ICLs are caused by genotoxins, such as chemotherapeutic agents or reactive aldehydes. Inappropriately repaired ICLs contribute to hematopoietic stem cell (HSC) failure and tumorigenesis. While endogenous acetaldehyde and formaldehyde are known to induce HSC failure and leukemia in humans with FA, the effects of other toxic metabolites in FA pathogenesis have not been systematically investigated. Using a metabolism-focused CRISPR screen, we found that ALDH9A1 deficiency causes synthetic lethality in FA pathway-deficient cells. Combined deficiency of ALDH9A1 and FANCD2 causes genomic instability, apoptosis, and decreased hematopoietic colony formation. Fanca −/− Aldh9a1 −/− mice exhibited an increased incidence of ovarian tumors. A suppressor CRISPR screen revealed that the loss of ATP13A3, a polyamine transporter, resulted in improved survival of FANCD2 −/− ALDH9A1 −/− cells. These findings implicate high intracellular polyamines and the resulting 3-aminopropanal or acrolein in the pathogenesis of FA. In addition, we find that ALDH9A1 variants may be modifying disease onset in FA patients. Statement of Significance ALDH9A1 deficiency is a previously unrecognized source of endogenous DNA damage. If not repaired by the Fanconi anemia pathway, such damage leads to increased genomic instability and tumorigenesis. Limiting substrates that accumulate when ALDH9A1 is absent can reduce aldehyde production and rescue synthetic lethality in the combined deficiency of ALDH9A1/FANCD2.

Abstract Germline RUNX1 mutations lead to familial platelet disorder with associated myeloid malignancies (FPDMM), which is characterized by thrombocytopenia and a life-long risk (35-45%) of hematological malignancies. We recently launched a longitudinal natural history study for patients with FPDMM at the NIH Clinical Center. Among 29 families with research genomic data, 28 different germline RUNX1 variants were detected. Besides missense mutations enriched in Runt homology domain and loss-of-function mutations distributed throughout the gene, splice-region mutations and large deletions were detected in 6 and 7 families, respectively. In 24 of 54 (44.4%) non-malignant patients, somatic mutations were detected in at least one of the clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP) genes or acute myeloid leukemia (AML) driver genes. BCOR was the most frequently mutated gene (in 9 patients), and multiple BCOR mutations were identified in 4 patients. Mutations in 7 other CHIP or AML driver genes ( DNMT3A, TET2, NRAS, SETBP1, SF3B1, KMT2C , and LRP1B ) were also found in more than one non-malignant patient. Moreover, three unrelated patients (one with myeloid malignancy) carried somatic mutations in NFE2 , which regulates erythroid and megakaryocytic differentiation. Sequential sequencing data from 19 patients demonstrated dynamic changes of somatic mutations over time, and stable clones were more frequently found in elderly patients. In summary, there are diverse types of germline RUNX1 mutations and high frequency of somatic mutations related to clonal hematopoiesis in patients with FPDMM. Monitoring dynamic changes of somatic mutations prospectively will benefit patients’ clinical management and reveal mechanisms for progression to myeloid malignancies. Key Points Comprehensive genomic profile of patients with FPDMM with germline RUNX1 mutations. Rising clonal hematopoiesis related secondary mutations that may lead to myeloid malignancies.

Fanconi anemia (FA) is the most common genetic cause of bone marrow failure, and is caused by inherited pathogenic variants in any of 22 genes. Of these, only FANCB is X-linked. We describe a cohort of 19 children with FANCB variants, from 16 families of the International Fanconi Anemia Registry (IFAR). Those with FANCB deletion or truncation demonstrate earlier than average onset of bone marrow failure, and more severe congenital abnormalities compared to a large series of FA individuals in the published reports. This reflects the indispensable role of FANCB protein in the enzymatic activation of FANCD2 monoubiquitination, an essential step in the repair of DNA interstrand crosslinks. For FANCB missense variants, more variable severity is associated with the extent of residual FANCD2 monoubiquitination activity. We used transcript analysis, genetic complementation, and biochemical reconstitution of FANCD2 monoubiquitination to determine the pathogenicity of each variant. Aberrant splicing and transcript destabilization was associated with two missence variants. Individuals carrying missense variants with drastically reduced FANCD2 monoubiquitination in biochemical and/or cell-based assays showed earlier onset of hematologic disease and shorter survival. Conversely, variants with near-normal FANCD2 monoubiquitination were associated with more favorable outcome. Our study reveals a genotype-phenotype correlation within the FA-B complementation group of FA, where severity is linked to the extent of residual FANCD2 monoubiquitination.

Fanconi anemia (FA) is a rare genetic disease characterized by heterogeneous congenital abnormalities and increased risk for bone marrow failure and cancer. FA is caused by mutation of any one of 23 genes, the protein products of which function primarily in the maintenance of genome stability. An important role for the FA proteins in the repair of DNA interstrand crosslinks (ICLs) has been established in vitro . While the endogenous sources of ICLs relevant to the pathophysiology of FA have yet to be clearly determined, a role for the FA proteins in a two-tier system for the detoxification of reactive metabolic aldehydes has been established. To discover new metabolic pathways linked to FA, we performed RNA-seq analysis on non-transformed FA-D2 ( FANCD2 -/- ) and FANCD2-complemented patient cells. Multiple genes associated with retinoic acid metabolism and signaling were differentially expressed in FA-D2 ( FANCD2 -/- ) patient cells, including ALDH1A1 and RDH10 , which encode for retinaldehyde and retinol dehydrogenases, respectively. Increased levels of the ALDH1A1 and RDH10 proteins was confirmed by immunoblotting. FA-D2 ( FANCD2 -/- ) patient cells displayed increased aldehyde dehydrogenase activity compared to the FANCD2-complemented cells. Upon exposure to retinaldehyde, FA-D2 ( FANCD2 -/- ) cells exhibited increased DNA double-strand breaks and checkpoint activation indicative of a defect in the repair of retinaldehyde-induced DNA damage. Our findings describe a novel link between retinoic acid metabolism and FA and identify retinaldehyde as an additional reactive metabolic aldehyde relevant to the pathophysiology of FA.