Abstract Cancer is the result of mutagenic processes that can be inferred from tumor genomes by analyzing rate spectra of point mutations, or “mutational signatures”. Here we present SparseSignatures, a novel framework to extract signatures from somatic point mutation data. Our approach incorporates a user-specified background signature, employs regularization to reduce noise in non-background signatures, uses cross-validation to identify the number of signatures, and is scalable to large datasets. We show that SparseSignatures outperforms current state-of-the-art methods on simulated data using a variety of standard metrics. We then apply SparseSignatures to whole genome sequences of pancreatic and breast tumors, discovering well-differentiated signatures that are linked to known mutagenic mechanisms and are strongly associated with patient clinical features. Authors Summary Cancer is a genetic disease, occurring as a result of mutagenic processes causing DNA somatic mutations in genes controlling cellular growth and division. These somatic mutations arise from processes such as defective DNA repair and environmental mutagens, which massively increase the rate of somatic variants. As a result, due to the specificity of molecular lesions caused by such processes, and the specific repair mechanisms deployed by the cell to mitigate the damage, mutagenic processes generate characteristic point mutation rate spectra which are called mutational signatures. These signatures can indicate which mutagenic processes are active in a tumor, reveal biological differences between cancer subtypes, and may be useful markers for therapeutic response. Here, we develop SparseSignatures, a novel framework for mutational signature discovery capable of both identifying the active signatures in a dataset of point mutations and calculating their exposure values, i.e., the number of mutations originating from each signature in each patient. We show that our approach outperforms current state-of-the-art methods on simulated data using a variety of standard metrics and then apply SparseSignatures to whole genome sequences of pancreatic and breast tumors, discovering well-differentiated signatures that are linked to known mutagenic mechanisms.

Abstract Nrf2 (nuclear factor E2-related factor 2, encoded by Nfe2l2 ) acts as a master transcriptional regulator in mediating antioxidant, detoxification and cytoprotective responses against oxidative, electrophilic and metabolic stress, but also plays a crucial role in cancer metabolism and multiple oncogenic pathways, whereas the redox sensor Keap1 functions as a predominant inhibitor of Nrf2 and hence changes in its expression abundance directly affect the Nrf2 stability and transcriptional activity. However, nuanced functional isoforms of Keap1α and β have rarely been identified to date. Herein, we have established four distinct cell models stably expressing Keap1 -/- , Keap1β ( Keap1 Δ1-31 ), Keap1-Restored and Keap1α-Restored , aiming to gain a better understanding of similarities and differences of two Keap1 isoforms between their distinct regulatory profiles. Our experimental evidence revealed that although Keap1 and its isoforms are still localized in the cytoplasmic compartments, they elicited differential inhibitory effects on Nrf2 and its target HO-1. Furtherly, transcriptome sequencing unraveled that they possess similar but different functions. Such functions were further determined by multiple experiments in vivo (i.e. subcutaneous tumour formation in nude mice) and in vitro (e.g., cell cloning, infection, migration, wound healing, cell cycle, apoptosis, CAT enzymatic activity and intracellular GSH levels). Of note, the results obtained from tumorigenesis experiments in xenograft model mice were verified based on the prominent changes in the PTEN signaling to the PI3K-AKT-mTOR pathways, in addition to substantially aberrant expression patterns of those typical genes involved in the EMT (epithelial-mesenchymal transition), cell cycle and apoptosis.

Abstract In the past 25 years, Nrf2 had been preferentially parsed as a master hub of regulating antioxidant, detoxification and cytoprotective genes, albeit as a matter of fact that Nrf1, rather than Nrf2, is indispensable for cell homeostasis and organ integrity during normal growth and development. Here, distinct genotypic cell lines ( Nrf1α −/− , Nrf2 −/−ΔTA and caNrf2 ΔN ) are employed to determine differential yet integral roles of Nrf1 and Nrf2 in mediating antioxidant responsive genes to t BHQ as a pro-oxidative stressor. In Nrf1α −/− cells, Nrf2 was highly accumulated but also cannot fully compensate specific loss of Nrf1α’s function in its basal cytoprotective response against endogenous oxidative stress, though it exerted partially inducible antioxidant response, as the hormetic effect of t BHQ, against apoptotic damages. By contrast, Nrf2 −/−ΔTA cells gave rise to a substantial reduction of Nrf1 in both basal and t BHQ-stimulated expression and hence resulted in obvious oxidative stress, but can still be allowed to mediate a potent antioxidant response, as accompanied by a significantly decreased ratio of GSSG to GSH. Conversely, a remarkable increase of Nrf1 expression was resulted from the constitutive active caNrf2 ΔN cells, which were not manifested with oxidative stress, no matter if it was intervened with t BHQ. Such inter-regulatory effects of Nrf1 and Nrf2 on antioxidant and detoxification genes (encoding HO-1, NQO1, GCLC, GCLM, GSR, GPX1, TALDO, MT1E and MT2), as well on the ROS-scavenging activities of SOD and CAT, were further investigated. The collective results unraveled that Nrf1 and Nrf2 make distinctive yet cooperative contributions to finely tuning basal constitutive and/or t BHQ-inducible expression levels of antioxidant cytoprotective genes in the inter-regulatory networks. Overall, Nrf1 acts as a brake control for Nrf2’s functionality to be confined within a certain extent, whilst its transcription is regulated by Nrf2.

Abstract To defend a vast variety of challenges in the oxygenated environments, all life forms have been evolutionally established a set of antioxidant, detoxification and cytoprotective systems during natural selection and adaptive survival, in order to maintain cell redox homeostasis and organ integrity in the healthy development and growth. Such antioxidant defense systems are predominantly regulated by two key transcription factors Nrf1 and Nrf2, but the underlying mechanism(s) for their coordinated redox control remains elusive. Here, we found that loss of full-length Nrf1 led to a dramatic increase in reactive oxygen species (ROS) and oxidative damages in Nrf1α -/- cells, and this increase was not eliminated by drastic elevation of Nrf2, even though the antioxidant systems were also substantially enhanced by hyperactive Nrf2. Further studies revealed that the increased ROS production in Nrf1α -/- resulted from a striking impairment in the mitochondrial oxidative respiratory chain and its gene expression regulated by nuclear respiratory factors, called αPal NRF1 and GABP NRF2 . In addition to antioxidant capacity of cells, glycolysis was greatly augmented by aberrantly-elevated Nrf2, so to partially relieve the cellular energy demands, but aggravate its mitochondrial stress. The generation of ROS was also differentially regulated by Nrf1 and Nrf2 through miR-195 and/or mIR-497-mediated UCP2 pathway. Consequently, the epithelial-mesenchymal transformation (EMT) of Nrf1α -/- cells was activated by putative ROS-stimulated signaling via MAPK, HIF1α, NF-kB, PI3K and AKT, all players involved in cancer development and progression. Taken together, it is inferable that Nrf1 acts as a potent integrator of redox regulation by multi-hierarchical networks.

Abstract Nrf1 and Nrf2, as two principal CNC-bZIP transcription factors, regulate similar but different targets involved in a variety of biological functions for maintaining cell homeostasis and organ integrity. Of note, the unique topobiological behavior of Nrf1 makes its functions more complicated than Nrf2, because it is allowed for alternatively transcribing and selectively splicing to yield multiple isoforms (e.g., TCF11, Nrf1α). In order to gain a better understanding of their similarities and differences in distinct regulatory profiles, all four distinct cell models for stably expressing TCF11 , TCF11 ΔN , Nrf1α or Nrf2 have been herein established by an Flp-In™ T-REx™-293 system and then identified by transcriptomic sequencing. Further analysis revealed that Nrf1α and TCF11 have similar yet different regulatory profiles, although both contribute basically to positive regulation of their co-targets, which are disparate from those regulated by Nrf2. Such disparity in those gene regulation by Nrf1 and Nrf2 was further corroborated by scrutinizing comprehensive functional annotation of their specific and/or common target genes. Conversely, the mutant TCF11 ΔN , resulting from a deletion of the N-terminal amino acids 2-156 from TCF11, resembles Nrf2 with the largely consistent structure and function. Interestingly, our further experimental evidence demonstrates that TCF11 acts as a potent tumor-repressor relative to Nrf1α, albeit both isoforms possess a congruous capability to prevent malignant growth of tumor and upregulate those genes critical for improving the survival of patients with hepatocellular carcinoma.

Background Germline mutations in the BRCA1 and BRCA2 genes predispose carriers to breast and ovarian cancer, and there remains a need to identify the specific genomic mechanisms by which cancer evolves in these patients. Here we present a systematic genomic analysis of breast tumors with BRCA1 and BRCA2 mutations.Methods We analyzed genomic data from breast tumors, with a focus on comparing tumors with BRCA1/BRCA2 gene mutations with common classes of sporadic breast tumors.Results We identify differences between BRCA-mutated and sporadic breast tumors in patterns of point mutation, DNA methylation and structural variation. We show that structural variation disproportionately affects tumor suppressor genes and identify specific driver gene candidates that are enriched for structural variation.Conclusions Compared to sporadic tumors, BRCA-mutated breast tumors show signals of reduced DNA methylation, more ancestral cell divisions, and elevated rates of structural variation that tend to disrupt highly expressed protein-coding genes and known tumor suppressors. Our analysis suggests that BRCA-mutated tumors are more aggressive than sporadic breast cancers because loss of the BRCA pathway causes multiple processes of mutagenesis and gene dysregulation.

Abstract It is questionable why no further experimental evidence confirming those findings, since being reported by Manning’s group in 2014’s Nature (doi: 10.1038/nature13492), has been provided in the hitherto known literature. They found that ‘Growth factors stimulate an increase in Nrf1 through mTORC1, which induces NRF1 transcription in an SREBP1-dependent manner’ and asserted that Nrf1 is directly regulated by SREBP1. Thereby, a key issue arising from their work is of particular concern about whether the mTORC1 signaling to upregulation of Nrf1-targeted proteasomal expression profiles occurs directly by SREBP1. In this study, our experiment evidence revealed that Nrf1 is not a direct target of SREBP1, although both are involved in the rapamycin-responsive regulatory networks. Closely scrutinizing two distinct transcriptomic datasets unraveled no significant changes in transcriptional expression of Nrf1 and almost all proteasomal subunits in either siSREBP2- silencing cells or SREBP1 –/– MEFs, when compared to equivalent controls. However, distinct upstream signaling to Nrf1 dislocation by p97 and its processing by DDI1/2, along with downstream proteasomal expression, may be monitored by mTOR signaling, to various certain extents, depending on distinct experimental settings in different types of cells. Our further evidence has been obtained from DDI1 –/– ( DDI2 insC ) cells, demonstrating that putative effects of mTOR on the rapamycin-responsive signaling to Nrf1 and proteasomes may also be executed partially through a DDI1/2-independent mechanism, albeit the detailed regulatory events remain to be determined.

We performed a high time-resolution, longitudinal study of normal pregnancy development by measuring cell-free RNA (cfRNA) in blood from women during each week of pregnancy. Analysis of tissue-specific transcripts in these samples enabled us to follow fetal and placental development with high resolution and sensitivity, and also to detect gene-specific responses of the maternal immune system to pregnancy. We established a "clock" for normal pregnancy development and enabled a direct molecular approach to determine expected delivery dates with comparable accuracy to ultrasound, creating the basis for a portable, inexpensive fetal dating method. We also identified a related gene set that accurately discriminated women at risk for spontaneous preterm delivery up to two months in advance of labor, forming the basis of a potential screening test for risk of preterm delivery.

Abstract Cisplatin ( cis -Dichlorodiamineplatinum[II], CDDP) is generally accepted as a platinum-based alkylating agent type of the DNA-damaging anticancer drug, which is widely administrated in clinical treatment of many solid tumors. The pharmacological effect of CDDP is mainly achieved by replacing the chloride ion ( Cl − ) in its structure with H 2 O to form active substances with the strong electrophilic properties and then react with any nucleophilic molecules, primarily leading to genomic DNA damage and subsequent cell death. In this process, those target genes driven by the consensus electrophilic and/or antioxidant response elements (EpREs/AREs) in their promoter regions are also activated or repressed by CDDP. Thereby, we here examined the expression profiling of such genes regulated by two principal antioxidant transcription factors Nrf1 and Nrf2 (both encoded by Nfe2l1 and Nfe2l2, respectively) in diverse cellular signaling responses to this intervention. The results demonstrated distinct cellular metabolisms, molecular pathways and signaling response mechanisms by which Nrf1 and Nrf2 as the drug targets differentially contribute to the anticancer efficacy of CDDP on hepatoma cells and xenograft tumor mice. Interestingly, the role of Nrf1, rather than Nrf2, is required for the anticancer effect of CDDP, to suppress malignant behavior of HepG2 cells by differentially monitoring multi-hierarchical signaling to gene regulatory networks. To our surprise, it was found there exists a closer relationship of Nrf1α than Nrf2 with DNA repair, but the hyperactive Nrf2 in Nrf1α −/− cells manifests a strong correlation with its resistance to CDDP, albeit their mechanistic details remain elusive.