We present a global atlas of 4,728 metagenomic samples from mass-transit systems in 60 cities over 3 years, representing the first systematic, worldwide catalog of the urban microbial ecosystem. This atlas provides an annotated, geospatial profile of microbial strains, functional characteristics, antimicrobial resistance (AMR) markers, and genetic elements, including 10,928 viruses, 1,302 bacteria, 2 archaea, and 838,532 CRISPR arrays not found in reference databases. We identified 4,246 known species of urban microorganisms and a consistent set of 31 species found in 97% of samples that were distinct from human commensal organisms. Profiles of AMR genes varied widely in type and density across cities. Cities showed distinct microbial taxonomic signatures that were driven by climate and geographic differences. These results constitute a high-resolution global metagenomic atlas that enables discovery of organisms and genes, highlights potential public health and forensic applications, and provides a culture-independent view of AMR burden in cities.

Endometriosis is a common, benign condition characterized by extensive heterogeneity in lesion appearance and patient symptoms. We profiled transcriptomes of 207,949 individual cells from endometriomata (n=7), extra-ovarian endometriosis (n=19), eutopic endometrium (n=4), unaffected ovary (n=1) and endometriosis-free peritoneum (n=4) to create a cellular atlas of endometrial-type epithelial cells, endometrial-type stromal cells and microenvironmental cell populations across tissue sites. Signatures of endometrial-type epithelium and stroma differed markedly across eutopic endometrium, endometrioma, superficial extra-ovarian disease and deep infiltrating endometriosis, suggesting that extensive transcriptional reprogramming is a core component of the disease process. Endometriomas were notable for the dysregulation of pro-inflammatory pathways and upregulation of complement proteins C3 and C7. Somatic ARID1A mutation in epithelial cells was associated with upregulation of pro-angiogenic factor SOX17 and remodeling of the endothelial cell compartment. Finally, signatures of endometriosis-associated endometrial-type epithelial clusters were enriched in ovarian cancers, reinforcing the epidemiologic associations between these two diseases.

Abstract RNA molecules function as messengers or noncoding adaptor molecules, structural components, and regulators of genome organization and gene expression. Their roles and regulation are mediated by other molecules they interact with, especially RNA binding proteins (RBPs). Here we report RNA proximity labeling (RPL), an RNA-centric method based on fusion of an endonuclease-deficient Type VI CRISPR-Cas protein (dCas13b) and engineered ascorbate peroxidase (APEX2) to discover in vivo target RNA proximal proteins (RPPs) through proximity-based biotinylation. U1 RPPs enriched by proximity-based biotinylation included both U1 snRNA canonical and noncanonical functions-related proteins. In addition, profiling of poly(A) tail proximal proteins uncovered expected categories of RBPs for poly(A) tails and also provided novel evidence for poly(A)+ RNA 5’-3’ proximity and expanded subcellular localizations. Our results suggest that RPL is a rapid approach for identifying both interacting and neighboring proteins associated with target RNA molecules in their native cellular contexts.

Abstract Lineage plasticity, the ability of a cell to alter its identity, is an increasingly common mechanism of adaptive resistance to targeted therapy in cancer 1,2 . An archetypal example is the development of neuroendocrine prostate cancer (NEPC) after treatment of prostate adenocarcinoma (PRAD) with inhibitors of androgen signaling. NEPC is an aggressive variant of prostate cancer that aberrantly expresses genes characteristic of neuroendocrine (NE) tissues and no longer depends on androgens. To investigate the epigenomic basis of this resistance mechanism, we profiled histone modifications in NEPC and PRAD patient-derived xenografts (PDXs) using chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq). We identified a vast network of cis -regulatory elements (N~15,000) that are recurrently activated in NEPC. The FOXA1 transcription factor (TF), which pioneers androgen receptor (AR) chromatin binding in the prostate epithelium 3,4 , is reprogrammed to NE-specific regulatory elements in NEPC. Despite loss of dependence upon AR, NEPC maintains FOXA1 expression and requires FOXA1 for proliferation and expression of NE lineage-defining genes. Ectopic expression of the NE lineage TFs ASCL1 and NKX2-1 in PRAD cells reprograms FOXA1 to bind to NE regulatory elements and induces enhancer activity as evidenced by histone modifications at these sites. Our data establish the importance of FOXA1 in NEPC and provide a principled approach to identifying novel cancer dependencies through epigenomic profiling.

The function of critical developmental regulators can be subverted by cancer cells to control expression of oncogenic transcriptional programs. These "master transcription factors" (MTFs) are often essential for cancer cell survival and represent vulnerabilities that can be exploited therapeutically. The current approaches to identify candidate MTFs examine super-enhancer associated transcription factor-encoding genes with high connectivity in network models. This relies on chromatin immunoprecipitation-sequencing (ChIP-seq) data, which is technically challenging to obtain from primary tumors, and is currently unavailable for many cancer types and clinically relevant subtypes. In contrast, gene expression data are more widely available, especially for rare tumors and subtypes where MTFs have yet to be discovered. We have developed a predictive algorithm called CaCTS (Cancer Core Transcription factor Specificity) to identify candidate MTFs using pan-cancer RNA-sequencing data from The Cancer Genome Atlas. The algorithm identified 273 candidate MTFs across 34 tumor types and recovered known tumor MTFs. We also made novel predictions, including for cancer types and subtypes for which MTFs have not yet been characterized. Clustering based on MTF predictions reproduced anatomic groupings of tumors that share 1-2 lineage-specific candidates, but also dictated functional groupings, such as a squamous group that comprised five tumor subtypes sharing 3 common MTFs. PAX8, SOX17, and MECOM were candidate factors in high-grade serous ovarian cancer (HGSOC), an aggressive tumor type where the core regulatory circuit is currently uncharacterized. PAX8, SOX17, and MECOM are required for cell viability and lie proximal to super-enhancers in HGSOC cells. ChIP-seq revealed that these factors co-occupy HGSOC regulatory elements globally and co-bind at critical gene loci including MUC16 (CA-125). Addiction to these factors was confirmed in studies using THZ1 to inhibit transcription in HGSOC cells, suggesting early down-regulation of these genes may be responsible for cytotoxic effects of THZ1 on HGSOC models. Identification of MTFs across 34 tumor types and 140 subtypes, especially for those with limited understanding of transcriptional drivers paves the way to therapeutic targeting of MTFs in a broad spectrum of cancers.

Phenotypic plasticity is a recognized mechanism driving therapeutic resistance in prostate cancer (PCa) patients. While underlying molecular causations driving phenotypic plasticity have been identified, therapeutic success is yet to be achieved. To identify putative master regulator transcription factors (MR-TF) driving phenotypic plasticity in PCa, this work utilized a multiomic approach using genetically engineered mouse models of prostate cancer combined with patient data to identify MYBL2 as a significantly enriched transcription factor in PCa exhibiting phenotypic plasticity. Genetic inhibition of Mybl2 using independent murine PCa cell lines representing phenotypic plasticity demonstrated Mybl2 loss significantly decreased in vivo growth as well as cell fitness and repressed gene expression signatures involved in pluripotency and stemness. Because MYBL2 is currently not druggable, a MYBL2 gene signature was employed to identify cyclin-dependent kinase-2 (CDK2) as a potential therapeutic target. CDK2 inhibition phenocopied genetic loss of Mybl2 and significantly decreased in vivo tumor growth associated with enrichment of DNA damage. Together, this work demonstrates MYBL2 as an important MR-TF driving phenotypic plasticity in PCa. Further, high MYBL2 activity identifies PCa that would be responsive to CDK2 inhibition.PCa that escapes therapy targeting the androgen receptor signaling pathways via phenotypic plasticity are currently untreatable. Our study identifies MYBL2 as a MR-TF in phenotypic plastic PCa and implicates CDK2 inhibition as novel therapeutic target for this most lethal subtype of PCa.

The transcription factors MECOM, PAX8, SOX17 and WT1 are candidate master regulators of high-grade serous 'ovarian' cancer (HGSC), yet their cooperative role in the hypothesized tissue of origin, the fallopian tube secretory epithelium (FTSEC) is unknown. We generated 26 epigenome (CUT&TAG, CUT&RUN, ATAC-seq and HiC) data sets and 24 profiles of RNA-seq transcription factor knock-down followed by RNA sequencing in FTSEC and HGSC models to define binding sites and gene sets regulated by these factors in cis and trans . This revealed that MECOM, PAX8, SOX17 and WT1 are lineage-enriched, super-enhancer associated master regulators whose cooperative DNA-binding patterns and target genes are re-wired during tumor development. All four TFs were indispensable for HGSC clonogenicity and survival but only depletion of PAX8 and WT1 impaired FTSEC cell survival. These four TFs were pharmacologically inhibited by transcriptional inhibitors only in HGSCs but not in FTSECs. Collectively, our data highlights that tumor-specific epigenetic remodeling is tightly related to MECOM, PAX8, SOX17 and WT1 activity and these transcription factors are targetable in a tumor-specific manner through transcriptional inhibitors.

Genome-wide association studies (GWASs) have identified about 30 different susceptibility loci associated with high grade serous ovarian cancer (HGSOC) risk. We hypothesized that risk variants at these loci may impact the expression and splicing of nearby genes in independent cohorts, thus identifying potential susceptibility genes. We compiled gene expression and genotyping data from 2,169 samples for 6 different HGSOC-relevant tissue types. We integrated these data with GWAS data from 13,037 HGSOC cases and 40,941 controls, and performed a transcriptome-wide association study (TWAS) across >70,000 significantly heritable gene/exon features. We identified 32 transcriptome-wide significant associations for 21 unique genes, plus 98 significant exon-level associations in 25 unique genes. We implicated multiple novel genes at risk loci, e.g. LRRC46 at 19q21.32 (TWAS P=1x10-8) and a PRC1 splicing event (TWAS P=1x10-6) which was splice-variant specific and exhibited no eQTL signal. Overall, gene expression and splicing events explained 35% of SNP-heritability for HGSOC (s.e. 11%, P=9x10-4) and implicated a target gene for 8/13 distinct genome-wide significant regions.

Historically, high-grade serous ovarian cancers (HGSOCs) were thought to arise from ovarian surface epithelial cells (OSECs) but recent data implicate fallopian tube secretory epithelial cells (FTSECs) as the major precursor. We performed transcriptomic and epigenomic profiling to characterize molecular similarities between OSECs, FTSECs and HGSOCs. Transcriptomic signatures of FTSECs were preserved in most HGSOCs reinforcing FTSECs as the predominant cell-of-origin; though an OSEC-like signature was associated with increased chemosensitivity (Padj = 0.03) and was enriched in proliferative-type tumors, suggesting a dualistic model for HGSOC origins. More super-enhancers (SEs) were shared between FTSECs and HGSOCs than between OSECS and HGSOCs (P < 2.2 x 10-16). SOX18, ELF3 and EHF transcription factors (TFs) coincided with HGSOC SEs and represent putative novel drivers of tumor development. Our integrative analyses support a predominantly fallopian origin for HGSOCs and indicate tumorigenesis may be driven by different TFs according to cell-of-origin.