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.

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.

Facio-Scapulo Humeral dystrophy (FSHD) is the third most common myopathy, affecting 1 amongst 10,000 individuals (FSHD1, OMIM #158900). This autosomal dominant pathology is associated in 95% of cases with genetic and epigenetic alterations in the subtelomeric region at the extremity of the long arm of chromosome 4 (q arm). A large proportion of the remaining 5% of cases carry a mutation in the SMCHD1 gene (FSHD2, OMIM #158901). Here, we explored the 3D organization of the 4q35 locus by three-dimensions DNA in situ fluorescent hybridization (3D-FISH) in primary cells isolated from patients. We found that D4Z4 contractions and/or SMCHD1 mutations impact the spatial organization of the 4q35 region and trigger changes in the expression of different genes. Changes in gene expression was corroborated in muscle biopsies suggesting that long distance interaction modulate expression of a number of genes at the 4q35 locus in FSHD. Using induced pluripotent stem cells (hIPSC), we examined if chromatin organization is inherited or acquired during differentiation. Our data suggest that folding of the 4q35 region is modified upon differentiation. These results together with previous findings highlight the role of the D4Z4 repeat in the organization of chromatin and further indicate that the D4Z4-dependent 3D structure induces transcriptional changes of 4q35 genes expression.