Immune checkpoint inhibitors have been successful across several tumor types; however, their efficacy has been uncommon and unpredictable in glioblastomas (GBM), where <10% of patients show long-term responses. To understand the molecular determinants of immunotherapeutic response in GBM, we longitudinally profiled 66 patients, including 17 long-term responders, during standard therapy and after treatment with PD-1 inhibitors (nivolumab or pembrolizumab). Genomic and transcriptomic analysis revealed a significant enrichment of PTEN mutations associated with immunosuppressive expression signatures in non-responders, and an enrichment of MAPK pathway alterations (PTPN11, BRAF) in responders. Responsive tumors were also associated with branched patterns of evolution from the elimination of neoepitopes as well as with differences in T cell clonal diversity and tumor microenvironment profiles. Our study shows that clinical response to anti-PD-1 immunotherapy in GBM is associated with specific molecular alterations, immune expression signatures, and immune infiltration that reflect the tumor's clonal evolution during treatment.

Tumor suppressor genes (TSGs) are a major type of gatekeeper genes in the cell growth. A knowledgebase with the systematic collection and curation of TSGs in multiple cancer types is critically important for further studying their biological functions as well as for developing therapeutic strategies. Since its development in 2012, the Tumor Suppressor Gene database (TSGene), has become a popular resource in the cancer research community. Here, we reported the TSGene version 2.0, which has substantial updates of contents (e.g. up-to-date literature and pan-cancer genomic data collection and curation), data types (noncoding RNAs and protein-coding genes) and content accessibility. Specifically, the current TSGene 2.0 contains 1217 human TSGs (1018 protein-coding and 199 non-coding genes) curated from over 9000 articles. Additionally, TSGene 2.0 provides thousands of expression and mutation patterns derived from pan-cancer data of The Cancer Genome Atlas. A new web interface is available at http://bioinfo.mc.vanderbilt.edu/TSGene/. Systematic analyses of 199 non-coding TSGs provide numerous cancer-specific non-coding mutational events for further screening and clinical use. Intriguingly, we identified 49 protein-coding TSGs that were consistently down-regulated in 11 cancer types. In summary, TSGene 2.0, which is the only available database for TSGs, provides the most updated TSGs and their features in pan-cancer.

Abstract DNA transposable elements and transposase-derived genes are present in most living organisms, including vertebrates, but their function is largely unknown. PiggyBac Transposable Element Derived 5 (PGBD5) is an evolutionarily conserved vertebrate DNA transposase-derived gene with retained nuclease activity in human cells. Vertebrate brain development is known to be associated with prominent neuronal cell death and DNA breaks, but their causes and functions are not well understood. Here, we show that PGBD5 contributes to normal brain development in mice and humans, where its deficiency causes disorder of intellectual disability, movement, and seizures. In mice, Pgbd5 is required for the developmental induction of post-mitotic DNA breaks and recurrent somatic genome rearrangements. In the brain cortex, loss of Pgbd5 leads to aberrant differentiation and gene expression of distinct neuronal populations, including specific types of glutamatergic neurons, which explains the features of PGBD5 deficiency in humans. Thus, PGBD5 might be a transposase-derived enzyme required for brain development in mammals. One-Sentence Summary PiggyBac Transposable Element Derived 5 (PGBD5) is required for brain development in humans and mice through genetic and epigenetic mechanisms.

The ATR kinase, which coordinates cellular responses to DNA replication stress, is also essential for the proliferation of normal unstressed cells. Although its role in the replication stress response is well defined, the mechanisms by which ATR supports normal cell proliferation remain elusive. Here, we show that ATR is dispensable for the viability of G0-arrested naïve B cells. However, upon cytokine-induced proliferation, Atr-deficient B cells initiate DNA replication efficiently in early S phase, but by mid-S phase they display dNTP depletion, fork stalling, and replication failure. Nonetheless, productive DNA replication can be restored in Atr-deficient cells by pathways that suppress origin firing, such as downregulation of CDC7 and CDK1 kinase activities. Together, these findings indicate that ATR supports the proliferation of normal unstressed cells by tempering the pace of origin firing during the early S phase to avoid exhaustion of dNTPs and other replication factors.

Abstract Insertions and deletions (indels) are common sources of structural variation, and insertions originating from spontaneous DNA lesions are frequent in cancer. We developed a highly sensitive assay in human cells (Indel-Seq) to monitor rearrangements at the TRIM37 acceptor locus which reports indels stemming from experimentally-induced and spontaneous genome instability. Templated insertions derive from sequences genome-wide and are enriched within 100 kb of donor regions flanking a DSB. Insertions require contact between donor and acceptor loci as well as DNA-PK catalytic activity. Notably, these templated insertions originate from actively transcribed loci, underscoring transcription as a critical source of spontaneous genome instability. Transcription-coupled insertions involve a DNA/RNA hybrid intermediate and are stimulated by DNA end-processing. Using engineered Cas9 breaks, we establish that ssDNA overhangs at the acceptor site greatly stimulate insertions. Indel-Seq revels that insertions are generated via at least three distinct pathways. Our studies indicate that insertions result from movement and subsequent contact between acceptor and donor loci followed invasion or annealing, then by non-homologous end-joining at the acceptor site.

Abstract Technological and computational advances in genomics and interactomics have made it possible to identify rapidly how disease mutations perturb interaction networks within human cells. In this study, we investigate at large-scale the effects of network perturbations caused by disease mutations within the human three-dimensional (3D), structurally-resolved macromolecular interactome. We show that disease-associated germline mutations are significantly enriched in sequences encoding protein-protein interfaces compared to mutations identified in healthy subjects from the 1000 Genomes and ExAC projects; these interface mutations correspond to protein-protein interaction (PPI)-perturbing alleles including p.Ser127Arg in PCSK9 at the PCSK9-LDLR interface. In addition, somatic missense mutations are significantly enriched in PPI interfaces compared to non-interfaces in 10,861 human exomes across 33 cancer subtypes/types from The Cancer Genome Atlas. Using a binomial statistical model, we computationally identified 470 PPIs harboring a statistically significant excess number of missense mutations at protein-protein interfaces (termed putative oncoPPIs) in pan-cancer analysis. We demonstrate that the oncoPPIs, including histone H4 complex in individual cancer types, are highly correlated with patient survival and drug resistance/sensitivity in human cancer cell lines and patient-derived xenografts. We experimentally validate the network effects of 13 oncoPPIs using a systematic binary interaction assay. We further showed that ALOX5 p.Met146Lys at the ALOX5-MAD1L1 interface and RXRA p.Ser427Phe at the RXRA-PPARG interface promote significant tumor cell growth using cell line-based functional assays, providing a functional proof-of-concept. In summary, if broadly applied, this human 3D interactome network analysis offers a powerful tool for prioritizing alleles with mutations altering PPIs that may contribute to the pathobiology of human diseases, and may offer disease-specific targets for genotype-informed therapeutic discovery.

Summary DNA end-resection and nuclear actin-based movements orchestrate clustering of double-strand breaks (DSBs) into homology-directed repair (HDR) domains. Here, we analyze how actin nucleation by ARP2/3 affects damage-dependent and -independent 3D genome reorganization and facilitates pathologic repair. We observe that DNA damage, followed by ARP2/3-dependent establishment of repair domains enhances local chromatin insulation at a set of damage-proximal boundaries and affects compartment organization genome-wide. Nuclear actin polymerization also promotes interactions between DSBs, which in turn facilitates aberrant intra- and inter-chromosomal rearrangements. Notably, BRCA1 deficiency, which decreases end-resection, DSB mobility, and subsequent HDR, nearly abrogates recurrent translocations between AsiSI DSBs. In contrast, loss of functional BRCA1 yields unique translocations genome-wide, reflecting a critical role in preventing spontaneous genome instability and subsequent rearrangements. Our work establishes that the assembly of DSB repair domains is coordinated with multiscale alterations in genome architecture that enable HDR despite increased risk of translocations with pathologic potential.

ABSTRACT Adenoid Cystic Carcinoma (ACC) is a rare and aggressive form of salivary gland cancer, characterized by the co-existence within tumor tissues of two distinct populations of malignant cells, phenotypically similar to the myoepithelial and ductal lineages of normal salivary glands. Using a novel computational approach for single-cell RNA-seq analysis, we identified two cell-surface markers (CD49f, KIT) that enable the differential purification of myoepithelial-like (CD49f high /KIT neg ) and ductal-like (CD49f low /KIT + ) cells from ACC patient derived xenografts (PDX). Using prospective xeno-transplantation experiments, we demonstrate that myoepithelial-like cells act as progenitors of ductal-like cells. Using three-dimensional (3D) organoid cultures, we demonstrate that agonists of retinoic acid (RA) signaling promote differentiation of myoepithelial-like cells into ductal-like cells, while inhibitors of RA signaling selectively kill ductal-like cells. Finally, we demonstrate that BMS493, an inverse agonist of RA signaling, can be successfully leveraged for the in vivo treatment of human ACCs.

Cancer immunoediting shapes tumor progression by the selection of tumor cell variants that can evade immune recognition. Given the immune evasion and intra-tumor heterogeneity intrinsic to gliomas, we hypothesized that CD8+ T-cells mediate immunoediting in these tumors. We evaluated glioma progression in the absence of CD8+ T-cells by depleting this immune cell population in transgenic murine gliomas. Upon transplantation, gliomas that developed in the absence of CD8+ T-cells engrafted poorly in recipients with intact immunity but engrafted well in those with CD8+ T-cell depletion. Gliomas developed in absence of CD8+ T-cells exhibited increased chromosomal instability, MAPK signaling, gene fusions, and macrophage/microglial infiltration. MAPK activation correlated with macrophage/microglial recruitment in this model and in the human disease. Our results indicate that CD8+ T-cells mediate immunoediting during gliomagenesis, influencing the genomic stability of glioma and its microenvironment, leading to immune evasion.

Human genome sequencing studies have identified numerous loci associated with complex diseases. However, translating human genetic and genomic findings to disease pathobiology and therapeutic discovery remains a major challenge at multiscale interactome network levels. Here, we present a deep-learning-based ensemble framework, termed PIONEER (Protein-protein InteractiOn iNtErfacE pRediction), that accurately predicts protein binding partner-specific interfaces for all protein interactions in humans and seven other common model organisms. We demonstrate that PIONEER outperforms existing state-of-the-art methods. We further systematically validated PIONEER predictions experimentally through generating 2,395 mutations and testing their impact on 6,754 mutation-interaction pairs, confirming PIONEER-predicted interfaces are comparable in accuracy as experimentally determined interfaces using PDB co-complex structures. We show that disease-associated mutations are enriched in PIONEER-predicted protein-protein interfaces after mapping mutations from ~60,000 germline exomes and ~36,000 somatic genomes. We identify 586 significant protein-protein interactions (PPIs) enriched with PIONEER-predicted interface somatic mutations (termed oncoPPIs) from pan-cancer analysis of ~11,000 tumor whole-exomes across 33 cancer types. We show that PIONEER-predicted oncoPPIs are significantly associated with patient survival and drug responses from both cancer cell lines and patient-derived xenograft mouse models. We identify a landscape of PPI-perturbing tumor alleles upon ubiquitination by E3 ligases, and we experimentally validate the tumorigenic KEAP1-NRF2 interface mutation p.Thr80Lys in non-small cell lung cancer. We show that PIONEER-predicted PPI-perturbing alleles alter protein abundance and correlates with drug responses and patient survival in colon and uterine cancers as demonstrated by proteogenomic data from the National Cancer Institute's Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium. PIONEER, implemented as both a web server platform and a software package, identifies functional consequences of disease-associated alleles and offers a deep learning tool for precision medicine at multiscale interactome network levels.