Whole-genome-sequencing (WGS) of human tumors has revealed distinct mutation patterns that hint at the causative origins of cancer. We examined mutational signatures in 324 WGS human-induced pluripotent stem cells exposed to 79 known or suspected environmental carcinogens. Forty-one yielded characteristic substitution mutational signatures. Some were similar to signatures found in human tumors. Additionally, six agents produced double-substitution signatures and eight produced indel signatures. Investigating mutation asymmetries across genome topography revealed fully functional mismatch and transcription-coupled repair pathways. DNA damage induced by environmental mutagens can be resolved by disparate repair and/or replicative pathways, resulting in an assortment of signature outcomes even for a single agent. This compendium of experimentally induced mutational signatures permits further exploration of roles of environmental agents in cancer etiology and underscores how human stem cell DNA is directly vulnerable to environmental agents.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJjNjA0ZmFiYTVmMGU3OGJlMjIwNDk4ODM4OGFiMWI2NSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5MTUxMjA2fQ.CTKsE0-Qsf5SCdj2dj23SyFaUlM9RUWeWDvQeRJcbYD_IrC4Ljh3yf5CIuqcUECWGEVoEdITYP52wfkJBWH5Cq7HblYZMdL8aGF-57elq89RTe8K0IqOMoBma4Wn9d6ZsD1tsQqFa-6qBraA_pUmQxDqRYHHN9ftW-Ao9Et-lGsYPt3cREhTCBLMYqb_4Ssbu1cKnoU3mASZfGXiQlJxRtTNZllC9S2P7cbRSf9BleSsSGt-XZOAqDvLLuuvsj228-7j9MotR-T9LUteZMivfflp9zFrUk2x5_dIleGBaSbGM0vQMeuRKcb_5LIoSpZyOOG5yVYdNYtUn3I1XiOiqw(mp4, (142.75 MB) Download video

Abstract Triple negative breast cancer (TNBC) encompasses molecularly different subgroups, with a subgroup harboring evidence of defective homologous recombination (HR) DNA repair. Here, within a phase 2 window clinical trial, RIO trial (EudraCT 2014-003319-12), we investigate the activity of PARP inhibitors in 43 patients with untreated TNBC. The primary end point, decreased Ki67, occured in 12% of TNBC. In secondary end point analyses, HR deficiency was identified in 69% of TNBC with the mutational-signature-based HRDetect assay. Cancers with HRDetect mutational signatures of HR deficiency had a functional defect in HR, assessed by impaired RAD51 foci formation on end of treatment biopsy. Following rucaparib treatment there was no association of Ki67 change with HR deficiency. In contrast, early circulating tumor DNA dynamics identified activity of rucaparib, with end of treatment ctDNA levels suppressed by rucaparib in mutation-signature HR-deficient cancers. In ad hoc analysis, rucaparib induced expression of interferon response genes in HR-deficient cancers. The majority of TNBCs have a defect in DNA repair, identifiable by mutational signature analysis, that may be targetable with PARP inhibitors.

Western blot data are widely used in quantitative applications such as statistical testing and mathematical modelling. To ensure accurate quantitation and comparability between experiments, Western blot replicates must be normalised, but it is unclear how the available methods affect statistical properties of the data. Here we evaluate three commonly used normalisation strategies: (i) by fixed normalisation point or control; (ii) by sum of all data points in a replicate; and (iii) by optimal alignment of the replicates. We consider how these different strategies affect the coefficient of variation (CV) and the results of hypothesis testing with the normalised data. Normalisation by fixed point tends to increase the mean CV of normalised data in a manner that naturally depends on the choice of the normalisation point. Thus, in the context of hypothesis testing, normalisation by fixed point reduces false positives and increases false negatives. Analysis of published experimental data shows that choosing normalisation points with low quantified intensities results in a high normalised data CV and should thus be avoided. Normalisation by sum or by optimal alignment redistributes the raw data uncertainty in a mean-dependent manner, reducing the CV of high intensity points and increasing the CV of low intensity points. This causes the effect of normalisations by sum or optimal alignment on hypothesis testing to depend on the mean of the data tested; for high intensity points, false positives are increased and false negatives are decreased, while for low intensity points, false positives are decreased and false negatives are increased. These results will aid users of Western blotting to choose a suitable normalisation strategy and also understand the implications of this normalisation for subsequent hypothesis testing.

Abstract Mutational signatures are imprints of pathophysiological processes arising through tumorigenesis. Here, we generate isogenic CRISPR-Cas9 knockouts (Δ) of 43 genes in human induced pluripotent stem cells, culture them in the absence of added DNA damage, and perform wholegenome sequencing of 173 daughter subclones. Δ OGG1 , Δ UNG , Δ EXO1 , Δ RNF168 , Δ MLH1 , Δ MSH2 , Δ MSH6 , Δ PMS1 , and Δ PMS2 produce marked mutational signatures indicative of being critical mitigators of endogenous DNA changes. Detailed analyses reveal that 8-oxo-dG removal by different repair proteins is sequence-context-specific while uracil clearance is sequencecontext-independent. Signatures of mismatch repair (MMR) deficiency show components of C>A transversions due to oxidative damage, T>C and C>T transitions due to differential misincorporation by replicative polymerases, and T>A transversions for which we propose a ‘reverse template slippage’ model. Δ MLH1 , Δ MSH6 , and Δ MSH2 signatures are similar to each other but distinct from Δ PMS2 . We validate these gene-specificities in cells from patients with Constitutive Mismatch Repair Deficiency Syndrome. Based on these experimental insights, we develop a classifier, MMRDetect, for improved clinical detection of MMR-deficient tumors.

Abstract Mammary tumors in dogs hold great potential as naturally occurring breast cancer models in translational oncology, as they share the same environmental risk factors, key histological features, hormone receptor expression patterns, prognostic factors, and genetic characteristics as their human counterparts. We aimed to develop in vitro tools that allow functional analysis of canine mammary tumors (CMT), as we have a poor understanding of the underlying biology that drives the growth of these heterogeneous tumors. We established the long-term culture of 24 organoid lines from 16 patients, including organoids derived from normal mammary epithelium or benign lesions. CMT organoids recapitulated key morphological and immunohistological features of the primary tissue from which they were derived, including hormone receptor status. Furthermore, genetic characteristics (driver gene mutations, DNA copy number variations, and single-nucleotide variants) were conserved within tumororganoid pairs. We show how CMT organoids are a suitable model for in vitro drug assays and can be used to investigate whether specific mutations predict therapy outcomes. In addition, we could genetically modify the CMT organoids and use them to perform pooled CRISPR/Cas9 screening, where library representation was accurately maintained. In summary, we present a robust 3D in vitro preclinical model that can be used in translational research, where organoids from normal, benign as well as malignant mammary tissues can be propagated from the same patient to study tumorigenesis.

Xeroderma pigmentosum (XP) is caused by defective nucleotide excision repair of DNA damage. This results in hypersensitivity to ultraviolet light and increased skin cancer risk, as sunlight-induced photoproducts remain unrepaired. However, many XP patients also display early-onset neurodegeneration, which leads to premature death. The mechanism of neurodegeneration is unknown. Here, we investigate XP neurodegeneration using pluripotent stem cells derived from XP patients and healthy relatives, performing functional multi-omics on samples during neuronal differentiation. We show substantially increased levels of 5′,8-cyclopurine and 8-oxopurine in XP neuronal DNA secondary to marked oxidative stress. Furthermore, we find that the endoplasmic reticulum stress response is upregulated and reversal of the mutant genotype is associated with phenotypic rescue. Critically, XP neurons exhibit inappropriate downregulation of the protein clearance ubiquitin-proteasome system (UPS). Chemical enhancement of UPS activity in XP neuronal models improves phenotypes, albeit inadequately. Although more work is required, this study presents insights with intervention potential.

Abstract Excessive production of reactive oxygen species (ROS) is characteristic of numerous diseases, but most studies in this area have not considered the impact of endogenous antioxidative defenses. Here, utilizing multi-omics, we demonstrate that in cardiomyocytes mitochondrial isocitrate dehydrogenase (IDH2) constitutes a major antioxidant defense. In both male and female mice and humans the paradoxical reduction in expression of IDH2 associated with heart failure is compensated for by an increase in the enzyme’s activity. We describe extensive mutual regulation of the antioxidant activities of IDH2 and NRF2 by a network involving 2-oxoglutarate and L2-hydroxyglutarate and mediated in part through unconventional hydroxymethylation of cytosine residues present in introns. Conditional targeting of ROS in a murine model of heart failure improves cardiac function. Together, these insights may explain why previous attempts to treat heart failure with antioxidants have been unsuccessful and open new approaches to personalizing and, thereby, improving such treatment. Graphical abstract Highlights Paradoxical downregulation of mitochondrial isocitrate dehydrogenase (IDH2) in response to oxidative stress leads to the discovery of a robust antioxidative defense in the heart. An antioxidative loop involving IDH2 coordinates other antioxidative defenses, such as NRF2. This loop produces epigenetic modifications that link oxidative stress to mitochondrial function. The conclusion that enhancing antioxidative capacity improves cardiac function only when the endogenous capacity is insufficient opens new approaches to individualized treatment of patients with heart failure.

Abstract Whole genome sequencing (WGS) provides comprehensive, individualised cancer genomic information. However, routine tumour biopsies are formalin-fixed and paraffin-embedded (FFPE), damaging DNA, historically limiting their use in WGS. Here we analyse FFPE cancer WGS datasets from England’s 100,000 Genomes Project, comparing 578 FFPE samples with 11,014 fresh frozen (FF) samples across multiple tumour types. We use an approach that characterises rather than discards artefacts. We identify three artefactual signatures, including one known (SBS57) and two previously uncharacterised (SBS FFPE, ID FFPE), and develop an “FFPEImpact” score that quantifies sample artefacts. Despite inferior sequencing quality, FFPE-derived data identifies clinically-actionable variants, mutational signatures and permits algorithmic stratification. Matched FF/FFPE validation cohorts shows good concordance while acknowledging SBS, ID and copy-number artefacts. While FF-derived WGS data remains the gold standard, FFPE-samples can be used for WGS if required, using analytical advancements developed here, potentially democratising whole cancer genomics to many.