ABSTRACT Cancer cells display complex genomic aberrations that include large-scale genetic rearrangements and epigenetic modulation that are not easily characterized by short-read sequencing. We present a method for simultaneous profiling of long-range genetic/epigenetic changes in matched cancer samples. Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is the most common subtype of kidney cancer. Most ccRCC cases demonstrate somatic genomic alterations involving the short arm of chromosome 3 (3p), most often targeting the von Hippel–Lindau ( VHL ) gene. Aiming to identify somatic alterations that characterize early stage ccRCC, we performed comprehensive genetic, cytogenetic and epigenetic analyses comparing ccRCC tumor to adjacent non-tumorous tissue. Optical genome mapping identified genomic aberrations such as structural and copy number variations, complementing exome-sequencing results. Single-molecule methylome and hydroxymethylome mapping revealed multiple differential regions, some of them known to be associated with ccRCC pathogenesis. Among them, metabolic pathways were significantly enriched. Moreover, significant global epigenetic differences were detected between the tumor and the adjacent non-tumorous tissue, and a correlation between epigenetic signals and gene expression was found. This is the first reported comparison of a human tumor and a matched tissue by optical genome/epigenome mapping, revealing well-established and novel somatic aberrations.

Abstract 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine are epigenetic modifications involved in gene regulation and cancer. Here, we describe a new, simple, and high-throughput platform for multi-colour epigenetic analysis. The novelty of our approach is the ability to multiplex methylation and de-methylation signals in the same assay. We utilize an engineered methyltransferase enzyme that recognizes and labels all unmodified CpG sites with a fluorescent cofactor. In combination with the already established labelling of the de-methylation mark 5-hydroxymethylcytosine via enzymatic glycosylation, we obtained a robust platform for simultaneous epigenetic analysis of these marks. We assessed the global epigenetic levels in multiple samples of colorectal cancer and observed a reduction in 5-hydroxymethylcytosine levels, but no change in DNA methylation levels between sick and healthy individuals. We also measured epigenetic modifications in chronic lymphocytic leukaemia and observed a decrease in both modification levels. Our results indicate that this assay may be used for the epigenetic characterization of clinical samples for research and patient management.

Carcinogenesis often involves significant alterations in the cancer genome architecture, marked by large structural and copy number variations (SVs and CNVs) that are difficult to capture with short-read sequencing. Traditionally, cytogenetic techniques are applied to detect such aberrations, but they are limited in resolution and do not cover features smaller than several hundred kilobases. Optical genome mapping and nanopore sequencing are attractive technologies that bridge this resolution gap and offer enhanced performance for cytogenetic applications. These methods profile native, individual DNA molecules, thus capturing epigenetic information. We applied both techniques to characterize a clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) tumor's structural and copy number landscape, highlighting the relative strengths of each method in the context of variant size and average read length. Additionally, we assessed their utility for methylome and hydroxymethylome profiling, emphasizing differences in epigenetic analysis applicability.

The epigenetic mark 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC) is a distinct product of active enzymatic demethylation that is linked to gene regulation, development and disease. Genome-wide 5-hmC profiles generated by short-read next-generation sequencing are limited in providing long-range epigenetic information relevant to highly variable genomic regions, such as the 3.7 Mbp disease-related Human Leukocyte Antigen (HLA) region. We present a long-read, single-molecule mapping technology that generates hybrid genetic/epigenetic profiles of native chromosomal DNA. The genome-wide distribution of 5- hmC in human peripheral blood cells correlates well with 5-hmC DNA immunoprecipitation (hMeDIP) sequencing. However, the long read length of 100 kbp-1Mbp produces 5-hmC profiles across variable genomic regions that failed to showup in the sequencing data. In addition, optical 5-hmC mapping shows strong correlation between the 5-hmC density in gene bodies and the corresponding level of gene expression. The single molecule concept provides information on the distribution and coexistence of 5-hmC signals at multiple genomic loci on the same genomic DNA molecule, revealing long-range correlations and cell-to-cell epigenetic variation.