ABSTRACT To characterise the somatic alterations in colorectal cancer (CRC), we conducted whole-genome sequencing analysis of 2,023 tumours. We provide the most detailed high-resolution map to date of somatic mutations in CRC, and demonstrate associations with clinicopathological features, in particular location in the large bowel. We refined the mutational processes and signatures acting in colorectal tumorigenesis. In analyses across the sample set or restricted to molecular subtypes, we identified 185 CRC driver genes, of which 117 were previously unreported. New drivers acted in various molecular pathways, including Wnt ( CTNND1, AXIN1, TCF3 ), TGF-β/BMP ( TGFBR1 ) and MAP kinase ( RASGRF1, RASA1, RAF1 , and several MAP2K and MAP3K loc i ). Non-coding drivers included intronic neo-splice site alterations in APC and SMAD4 . Whilst there was evidence of an excess of mutations in functionally active regions of the non-coding genome, no specific drivers were called with high confidence. Novel recurrent copy number changes included deletions of PIK3R1 and PWRN1 , as well as amplification of CCND3 and NEDD9 . Putative driver structural variants included BRD4 and SOX9 regulatory elements, and ACVR2A and ANKRD11 hotspot deletions. The frequencies of many driver mutations, including somatic Wnt and Ras pathway variants, showed a gradient along the colorectum. The Pks-pathogenic E. coli signature and TP53 mutations were primarily associated with rectal cancer. A set of unreported immune escape driver genes was found, primarily in hypermutated CRCs, most of which showed evidence of genetic evasion of the anti-cancer immune response. About 25% of cancers had a potentially actionable mutation for a known therapy. Thirty-three of the new driver genes were predicted to be essential, 17 possessed a druggable structure, and nine had a bioactive compound available. Our findings provide further insight into the genetics and biology of CRC, especially tumour subtypes defined by genomic instability or clinicopathological features.

Abstract Colorectal carcinoma (CRC) is a common cause of mortality 1 , but a comprehensive description of its genomic landscape is lacking 2–9 . Here we perform whole-genome sequencing of 2,023 CRC samples from participants in the UK 100,000 Genomes Project, thereby providing a highly detailed somatic mutational landscape of this cancer. Integrated analyses identify more than 250 putative CRC driver genes, many not previously implicated in CRC or other cancers, including several recurrent changes outside the coding genome. We extend the molecular pathways involved in CRC development, define four new common subgroups of microsatellite-stable CRC based on genomic features and show that these groups have independent prognostic associations. We also characterize several rare molecular CRC subgroups, some with potential clinical relevance, including cancers with both microsatellite and chromosomal instability. We demonstrate a spectrum of mutational profiles across the colorectum, which reflect aetiological differences. These include the role of Escherichia coli pks+ colibactin in rectal cancers 10 and the importance of the SBS93 signature 11–13 , which suggests that diet or smoking is a risk factor. Immune-escape driver mutations 14 are near-ubiquitous in hypermutant tumours and occur in about half of microsatellite-stable CRCs, often in the form of HLA copy number changes. Many driver mutations are actionable, including those associated with rare subgroups (for example, BRCA1 and IDH1 ), highlighting the role of whole-genome sequencing in optimizing patient care.

ABSTRACT Inherited defects in base-excision repair (BER) predispose to adenomatous polyposis and colorectal cancer (CRC), yet our understanding of this important DNA repair pathway remains incomplete. By combining detailed clinical, histological and molecular profiling, we reveal biallelic germline loss-of-function (LOF) variants in the BER gene MBD4 to predispose to adenomatous polyposis and –uniquely amongst CRC predisposition syndromes– to myeloid neoplasms. Neoplasms from MBD4-deficient patients almost exclusively accumulate somatic CpG>TpG mutations, resembling mutational signature SBS1. MBD4-deficient adenomas harbour mutations in known CRC driver genes, although AMER1 mutations were more common and KRAS mutations less frequent. We did not find an increased risk for colorectal tumours in individuals with a monoallelic MBD4 LOF variant. We suggest that this condition should be termed MBD4 -associated neoplasia syndrome (MANS) and that MBD4 is included in testing for the genetic diagnosis of polyposis and/or early-onset AML.

ABSTRACT The ubiquitous host protein, CCCTC-binding factor (CTCF), is an essential regulator of cellular transcription and functions to maintain epigenetic boundaries, stabilise chromatin loops and regulate splicing of alternative exons. We have previously demonstrated that CTCF binds to the E2 open reading frame (ORF) of human papillomavirus (HPV) 18 and functions to repress viral oncogene expression in undifferentiated keratinocytes by co-ordinating an epigenetically repressed chromatin loop within HPV episomes. Cellular differentiation, which is necessary for HPV life cycle completion disrupts CTCF-dependent chromatin looping of HPV18 episomes inducing enhanced activity of the HPV18 early promoter P 105 and increased viral oncogene expression. To further characterise CTCF function in HPV transcription control we utilised direct, long-read Nanopore RNA-sequencing which provides information on the structure and abundance of full-length transcripts. Nanopore analysis of primary human keratinocytes containing HPV18 episomes before and after synchronous differentiation allowed quantification of viral transcript species in these cultures, including the identification of low abundance novel transcripts. Comparison of transcripts produced in wild type HPV18 genome-containing cells to those identified in CTCF-binding deficient genome-containing cells (HPV18-ΔCTCF) identifies CTCF as a key regulator of differentiation-dependent late promoter activation, required for efficient E1^E4 and L1 protein expression. Furthermore, our data show that CTCF binding at the E2 ORF of HPV18 promotes usage of the downstream weak splice donor (SD) sites SD3165 and SD3284, to the dominant E4 splice acceptor site at nucleotide 3434. These findings demonstrate importance of CTCF-dependent transcription regulation at multiple stages of the HPV life cycle. IMPORTANCE Oncogenic human papillomavirus (HPV) infection is the cause of a subset of epithelial cancers of the uterine cervix, other anogenital areas and the oropharynx. HPV infection is established in the basal cells of epithelia where a restricted programme of viral gene expression is required for replication and maintenance of the viral episome. Completion of the HPV life cycle is dependent on the maturation (differentiation) of infected cells which induces enhanced viral gene expression and induction of capsid production. We previously reported that the host cell transcriptional regulator, CTCF, is hijacked by HPV to control viral gene expression. In this study, we use long-read mRNA sequencing to quantitatively map the variety and abundance of HPV transcripts produced in early and late stages of the HPV life cycle and to dissect the function of CTCF in controlling HPV gene expression and transcript processing.

Abstract The transcription factor Gata2 is required to produce and maintain haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) in development and adult haematopoiesis. Mutations in GATA2 lead to GATA2 deficiency syndrome and predispose patients to acquire leukaemia. Here we use zebrafish gata2a enhancer deletion mutants and single cell transcriptomics to understand how GATA2 mediates survival and differentiation of haematopoietic stem cells in GATA2 deficiency. Gata2a mutants show marrow failure, neutropenia, B-lymphopenia and erythrocytosis from 6 months post-fertilization (mpf). Single cell transcriptional profiling of the adult kidney marrow demonstrated that HSPCs express elevated expression of erythroid- and decreased expression of myeloid genes, including cebpa . This is associated with a lineage skewing towards the erythroid fate at the expense of the myeloid fate. Thus, Gata2a is required to initiate and maintain lineage priming in HSPCs, favouring myeloid differentiation. Gata2a regulates expression of multiple targets associated with replication and DNA damage repair (DDR), including npm1a , a zebrafish NPM1 orthologue. Accordingly, mutant marrow cells show increased DNA damage associated with progressive loss of npm1a expression with age. This effect was replicated by inhibiting NPM1 activity in murine HPC7 progenitor cells. We propose that the impaired DDR leads to marrow failure in GATA2 deficiency. This leads to increased genomic instability in the surviving HSPCs, favouring acquisition of secondary leukaemogenic mutations.

ABSTRACT The Myb transcription factor plays critical roles in normal and malignant hematopoiesis. Acquired genetic dysregulation of Myb, which plays a central role in hematopoietic stem cell (HSC) gene regulation, is involved in the etiology of a number of leukemias. Also, inherited non-coding variants of the Myb gene are a factor in susceptibility to many hematological conditions, including myeloproliferative neoplasms (MPN), but the mechanisms by which variations in Myb levels predispose to disease, including age-dependency in disease occurrence, are completely unknown. Here, we address these key points by showing that Myb insufficiency in mice leads in later life to MPN, myelodysplasia, and leukemia, mirroring the age profile of equivalent human diseases. This age-dependence is intrinsic to HSC, involving progressive accumulation of subtle changes. Interestingly, and linking to previous studies showing the importance of proteostasis to the maintenance of normal HSC, we observed altered proteosomal activity in young Myb-insufficient mice and later elevated ribosome activity. We propose that these alterations collectively cause an imbalance in proteostasis, potentially creating a cellular milieu favoring disease initiation by driver mutations.

ABSTRACT Upon infection, human papillomavirus (HPV) manipulates host cell gene expression to create an environment that is supportive of a productive and persistent infection. The virus-induced changes to the host cell’s transcriptome are thought to contribute to carcinogenesis. Here, we show by RNA-sequencing that oncogenic HPV18 episome replication in primary human foreskin keratinocytes (HFKs) drives host transcriptional changes that are consistent between multiple HFK donors. We have previously shown that HPV18 episome replication in HFKs results in post-transcriptional stabilisation of the host chromatin insulation protein CTCF. Since CTCF is an important regulator of host cell transcription via coordination of epigenetic boundaries and long-range chromosomal interactions, we hypothesised that HPV18-induced stabilisation of CTCF may contribute to host transcription reprogramming. Analysis of CTCF binding in the host cell genome by ChIP-Seq revealed that while the total number of CTCF binding sites is not altered by the virus, there are a sub-set of CTCF binding sites that are either enriched or depleted of CTCF. Many of these altered sites are clustered within regulatory elements of differentially expressed genes, including the tumour suppressor gene cell adhesion molecule 1 ( CADM1 ), which supresses epithelial cell growth and invasion. We show that HPV18 establishment results in reduced CTCF binding at the CADM1 promoter and upstream enhancer. Loss of CTCF binding is coincident with epigenetic repression of CADM1, in the absence of CpG hypermethylation, while adjacent genes including the transcriptional regulator ZBTB16 are activated. These data indicate that the CADM1 locus is subject to topological rearrangement following HPV18 establishment. We tested this hypothesis using 4C-Seq (circular chromosome confirmation capture-sequencing) and show that HPV18 establishment causes a loss of long-range chromosomal interactions between the CADM1 transcriptional start site and the upstream transcriptional enhancer. These data show that HPV18 manipulates host cell promoter-enhancer interactions to drive transcriptional reprogramming that may contribute to HPV-induced disease progression. AUTHOR SUMMARY Infection with oncogenic HPV is the cause of numerous cancer types, which generally arise after persistent HPV infection. Upon infection, HPV alters the gene expression profile of infected cells to facilitate virus replication and persistence. Multiple mechanisms of HPV-induced host cell reprogramming have been previously suggested. Here, we show that HPV infection induces rearrangement of specific genomic loci by altering the chromatin binding of the host cell protein CTCF, an important regulator of chromatin architecture. Loss of CTCF binding to a cluster of binding sites at the CADM1 locus on chromosome 11 is coincident with epigenetic reprogramming and disruption of long-range chromatin interactions, resulting in transcriptional repression of CADM1 . Our data show that repression of CADM1 is an early event in HPV-driven disease, preceding hypermethylation of the CADM1 transcriptional promoter that is frequently observed in HPV-driven cancers, demonstrating a novel mechanism of HPV-induced host cell transcriptional reprogramming.