Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

Motivation: Complex bioinformatic data analysis workflows involving multiple scripts in different languages can be difficult to consolidate, share, and reproduce. An environment that streamlines the entire processes of data collection, analysis, visualization and reporting of such multi-language analyses is currently lacking. Results: We developed Script of Scripts (SoS) Notebook, a web-based notebook environment that allows the use of multiple scripting language in a single notebook, with data flowing freely within and across languages. SoS Notebook enables researchers to perform sophisticated bioinformatic analysis using the most suitable tools for different parts of the workflow, without the limitations of a particular language or complications of cross-language communications. Availability: SoS Notebook is hosted at http://vatlab.github.io/SoS/ and is distributed under a GPL3 license.

Mitochondria are essential cellular organelles that play critical roles in cancer development. Through International Cancer Genome Consortium, we performed a multidimensional characterization of mitochondrial genomes using the whole-genome sequencing data of ~2,700 patients across 37 cancer types and related RNA-sequencing data. Our analysis presents the most definitive mutational landscape of mitochondrial genomes including a novel hypermutated case. We observe similar mutational signatures across cancer types, suggesting powerful endogenous mutational processes in mitochondria. Truncating mutations are remarkably enriched in kidney, colorectal and thyroid cancers and associated with the activation of critical signaling pathways. We find frequent somatic nuclear transfers of mitochondrial DNA (especially in skin and lung cancers), some of which disrupt therapeutic target genes (e.g., ERBB2). The mitochondrial DNA copy number shows great variations within and across cancers and correlates with clinical variables. Co-expression analysis highlights the function of mitochondrial genes in oxidative phosphorylation, DNA repair, and cell cycle; and reveals their connections with clinically actionable genes. Our study, including an open-access data portal, lays a foundation for understanding the interplays between the cancer mitochondrial and nuclear genomes and translating mitochondrial biology into clinical applications.

ABSTRACT We used whole-organ mapping to study loco-geographic molecular changes in evolution of human bladder cancer from mucosal field effects. The integrative multi-platform analyses based on genome-wide RNA sequencing, methylation, copy number variations, and whole exome sequencing identified over 100 dysregulated canonical pathways involving immunity, tissue differentiation and transformation as initiators of bladder carcinogenesis. Widespread dysregulation of interleukin signaling was the dominant change signifying the important role of inflammation and immunity in the incipient phases of urothelial carcinogenesis. The analyses of mutational patterns identified three types of mutations based on their geographic distribution and variant allele frequencies. The most common were low frequency subclonal mutations restricted to individual mucosal samples which were the progeny of their respective uroprogenitor cells. The two additional types of mutations were associated with clonal expansion and involved large areas of bladder mucosa. The first group referred to as α mutations, showed a low mutational frequency across the mucosa. The second group referred to as β mutations increased in their frequencies with disease progression and a large proportion of them represented mutated transcriptional regulators controlling proliferation. Time modeling revealed that bladder carcinogenesis is spanning 10-15 years and can be divided into dormant and progressive phases. The progressive phase lasted 1-2 years and was primarily driven by β mutations with high proliferative advantage. This is the first detailed molecular characterization of mucosal field effects initiating bladder carcinogenesis on the whole-organ scale. It provides novel insights into incipient phases of bladder carcinogenesis and biomarkers for early detection of bladder cancer as well as targets for preventive therapies.

Abstract OmicPioneer-sc is an open-source data visualization/analysis package that integrates dimensionality-reduction plots (DRPs) such as t-SNE and UMAP with Next-Generation Clustered Heat Maps (NGCHMs) and Pathway Visualization Modules (PVMs) in a seamless, highly interactive exploratory environment. It includes fluent zooming and navigation, a statistical toolkit, dozens of link-outs to external public bioinformatic resources, high-resolution graphics that meet the requirements of all major journals, and the ability to store all metadata needed to reproduce the visualizations at a later time. A user-friendly, multi-panel graphical interface enables non-informaticians to interact with the system without programming, asking and answering questions that require navigation among the three types of modules or extension from them to the Gene Ontology or information on therapies. The visual integration can be useful for detective work to identify and annotate cell-types for color-coding of the DRPs, and multiple NGCHMs can be layered on top of each other (with toggling among them) as an aid to multi-omic analysis. The tools are available in containerized form with APIs to facilitate incorporation as a plug-in to other bioinformatic environments. The capabilities of OmicPioneer-sc are illustrated here through application to a single-cell RNA-seq airway dataset pertinent to the biology of both cancer and COVID-19. [Supplemental material is available for this article.]

The sarcomatoid variant of urothelial bladder cancer (SARC) displays a high propensity for distant metastasis and is associated with short survival. We report a comprehensive genomic analysis of 28 cases of SARCs and 84 cases of conventional urothelial carcinomas (UCs), with the TCGA cohort of 408 muscle-invasive bladder cancers serving as the reference. SARCs showed a distinct mutational landscape with enrichment of TP53, RB1, and PIK3CA mutations. They were related to the basal molecular subtype of conventional UCs and could be divided into epithelial/basal and more clinically aggressive mesenchymal subsets based on TP63 and its target genes expression levels. Other analyses revealed that SARCs are driven by downregulation of homotypic adherence genes and dysregulation of cell cycle and EMT networks, and nearly half exhibited a heavily infiltrated immune phenotype. Our observations have important implications for prognostication and the development of more effective therapies for this highly lethal variant of bladder cancer.