Abstract Large scale structural variations, such as chromosomal translocations, can have profound effects on fitness and phenotype, but are difficult to identify and characterize. Here, we describe a simple and effective method aimed at identifying translocations using only the dosage of sequence reads mapped on the reference genome. We binned reads on genomic segments sized according to sequencing coverage and identified instances when copy number segregated in populations. For each dosage-polymorphic 1Mb bin, we tested linkage disequilibrium with other variable bins. In nine potato ( Solanum tuberosum ) dihaploid families translocations affecting pericentromeric regions were common and in two cases were due to genomic misassembly. In two populations, we found evidence for translocation affecting euchromatic arms. In cv. PI 310467, a non-reciprocal translocation between chromosome 7 and 8 resulted in a 5-3 copy number change affecting several Mb at the respective chromosome tips. In cv. “Alca Tarma”, the terminal arm of chromosome 4 translocated to the tip of chromosome 1. Using oligonucleotide-based fluorescent in situ hybridization painting probes (oligo-FISH), we tested and confirmed the predicted arrangement in PI 310467. In 192 natural accessions of Arabidopsis thaliana , dosage haplotypes tended to vary continuously and resulted in higher noise, but we identified pericentromeric LD suggesting the effect of repeats. This method should be useful in species where translocations are suspected because it tests linkage without the need for genotyping.

Abstract How cells control gene expression is a fundamental question. The relative contribution of protein-level and transcript-level regulation to this process remains unclear. Here we perform a proteogenomic analysis of tumors and untransformed cells containing somatic copy number alterations (SCNAs). By revealing how cells regulate transcript and protein abundances of SCNA-containing genes, we provide insights into the rules of gene regulation. While gene compensation mainly occurs at the protein level across tumor types, genes gained or lost show surprisingly low protein compensation in lung and high RNA compensation in colon cancer. Protein complex genes have a strong protein-level regulation while non-complex genes have a strong transcript-level regulation. Exceptions are plasma membrane protein complexes showing a very low protein-level regulation. Strikingly, we find a strong negative association between the degree of transcript-level and protein-level regulation across genes and pathways. Moreover, genes participating in the same pathway show similar degree of transcript- and protein-level regulation. Pathways including translation, splicing and mitochondrial function show a stronger protein-level regulation while cell adhesion and migration pathways show a stronger transcript-level regulation. These results suggest that the evolution of gene regulation is shaped by functional constraints and that many cellular pathways tend to evolve a predominant mechanism of gene regulation, possibly due to energetic constraints. Highlights Proteogenomic analyses of cancer SCNAs reveal tissue specificity in gene compensation. Genes gained or lost show surprisingly low protein compensation in lung cancer and unexpected RNA compensation in colon cancer. We use DNA-RNA and RNA-protein correlations to infer the degree of RNA-level and protein-level regulation. Protein complex genes and non-complex genes show high protein-level and RNA-level regulation, respectively. Plasma membrane complexes are an exception showing more RNA-level than protein-level regulation than other complex genes. Genes participating in the same pathway show similar degree of RNA-level and protein-level regulation. There is a strong negative relationship between the RNA- and protein-level regulation among pathways, suggesting that they are regulated either at the protein or at the RNA level. Genes involved in RNA processing and protein synthesis are upregulated in highly aneuploid tumors, especially at the protein level.

Investigating chromosomal instability and aneuploidy within tumors is essential for understanding their contribution to tumorigenesis and developing effective diagnostic and therapeutic strategies. Single-cell DNA sequencing (scDNA-seq) technologies have enabled such analyses, revealing aneuploidies specific to individual cells within the same tumor. However, scaling the throughput of these methods to identify aneuploidies occurring at low frequencies while maintaining high sensitivity has been difficult. To overcome this, we developed KaryoTap, a method combining custom targeted panels for the Tapestri scDNA-seq platform with a Gaussian mixture model analysis framework to enable detection of chromosome- and chromosome arm-scale aneuploidy in all human chromosomes across thousands of single cells simultaneously. This system will prove a powerful and flexible resource for the study of aneuploidy and chromosomal instability in tumors and normal tissues.

SUMMARY Aneuploidy, the presence of chromosome gains or losses, is a hallmark of cancer and congenital syndromes. Here, we describe KaryoCreate ( Karyo type CR ISPR E ngineered A neuploidy Te chnology), a system that enables generation of chromosome-specific aneuploidies by co-expression of a sgRNA targeting chromosome-specific CENPA-binding ɑ-satellite repeats together with dCas9 fused to a mutant form of KNL1. We designed unique and highly specific sgRNAs for 19 out of 24 chromosomes. Expression of these sgRNAs with KNL1 Mut -dCas9 leads to missegregation and induction of gains or losses of the targeted chromosome in cellular progeny with an average efficiency of 8% and 12% for gains and losses, respectively (up to 20%), tested and validated across 9 chromosomes. Using KaryoCreate in colon epithelial cells, we show that chromosome 18q loss, a frequent occurrence in gastrointestinal cancers, promotes resistance to TGFβ, likely due to synergistic hemizygous deletion of multiple genes. Altogether, we describe a novel technology to create and study chromosome missegregation and aneuploidy in the context of cancer and beyond. Highlights We designed sgRNAs targeting chromosome-specific centromeres across 19 human chromosomes KaryoCreate combines chromosome-specific centromeric sgRNAs with dCas9 fused to a mutant form of KNL1. KaryoCreate allows engineering gains and losses of specific human chromosomes. Engineered Chromosome 18q loss promotes tumor-associated phenotypes in colon-derived cells. KaryoCreate is a CRISPR-based technology to foster the study of centromere biology and aneuploidy.

Somatic mosaicism is widespread among tissues and could indicate distinct tissue origins of circulating cell-free DNA (cfDNA), DNA fragments released by lytic cells into the blood. By investigating the alignment patterns of whole genome sequencing reads with the genomic DNA of different tissues, we found that the read distributions formed type-specific patterns in some regions as a result of somatic mosaicism. We then utilized this information to construct a tissue-of-origin mapping model and evaluated its predictive performance on whole genome sequencing data from tissue and cfDNA samples. In total, 1,545 tissue samples associated with 13 cancer types were included, and identification of the tissue of origin achieved a specificity of 82% and a sensitivity of 80%. Furthermore, a total of 30 cfDNA samples from lung cancer and liver cancer patients and healthy controls were analyzed to predict their tissues of origin with a specificity of 87% and a sensitivity of 87%. Our results show that read distribution patterns from whole genome sequencing could be used to identify cfDNA tissues of origin with high accuracy, suggesting the potential application of our model to early cancer detection and diagnosis.

Summary The capacity of the brain to elicit sustained remission of hyperglycemia in rodent models of type 2 diabetes following intracerebroventricular (icv) injection of fibroblast growth factor 1 (FGF1) is well established. Here, we show that following icv FGF1 injection, hypothalamic signaling by extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2), members of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) family is induced for at least 24h. Further, we show that in diabetic Lep ob/ob mice, this prolonged response is required for the sustained antidiabetic action of FGF1, since it is abolished by sustained (but not acute) pharmacologic blockade of hypothalamic MAPK/ERK signaling. We also demonstrate that FGF1 R50E, a FGF1 mutant that activates FGF receptors but induces only transient hypothalamic MAPK/ERK signaling, fails to mimic the sustained glucose lowering induced by FGF1. These data identify sustained activation of hypothalamic MAPK/ERK signaling as playing an essential role in the mechanism underlying diabetes remission induced by icv FGF1 administration.