Abstract Whole-genome sequencing (WGS) of human tumors and normal cells exposed to various carcinogens has revealed distinct mutational patterns that provide deep insights into the DNA damage and repair processes. Although ionizing radiation (IR) is conventionally known as a strong carcinogen, its genome-wide mutational impacts have not been comprehensively investigated at the single-nucleotide level. Here, we explored the mutational landscape of normal single-cells after exposure to the various levels of IR. On average, 1 Gy of IR exposure generated ∼16 mutational events with a spectrum consisting of predominantly small nucleotide deletions and a few characteristic structural variations. In ∼30% of the post-irradiated cells, complex genomic rearrangements, such as chromoplexy, chromothripsis , and breakage-fusion-bridge cycles, were resulted, indicating the stochastic and chaotic nature of DNA repair in the presence of the massive number of concurrent DNA double-strand breaks. These mutational signatures were confirmed in the genomes of 22 IR-induced secondary malignancies. With high-resolution genomic snapshots of irradiated cells, our findings provide deep insights into how IR-induced DNA damage and subsequent repair processes operate in mammalian cells.

Summary The trillions of cells that constitute the human body are developed from a fertilized egg through embryogenesis. However, cellular dynamics and developmental outcomes of embryonic cells in humans remain to be largely unknown due to the technical and ethical challenges. Here, we explored whole-genomes of 334 single-cell expanded clones and targeted deep-sequences of 379 bulk tissues obtained from various anatomical locations from seven individuals. Using the discovered 1,688,652 somatic mutations as an intrinsic barcode, we reconstructed cellular phylogenetic trees that provide novel insights into early human embryogenesis. Our findings suggest (1) endogenous mutational rate that is higher in the first cell division of life but decreases to ~1 per cell per cell division later in life, (2) universal unequal contribution of early cells into embryo proper resulting from early cellular bottlenecks that stochastically separate epiblasts from embryonic cells (3) uneven differential outcomes of early cells into three germ layers, left-right and cranio-caudal tissues, (4) emergence of a few ancestral cells that will contribute to the substantial fraction of adult blood cells, and (5) presence of mitochondrial DNA heteroplasmy in the fertilized egg. Our approach additionally provides insights into the age-related mutational processes including UV-mediated mutagenesis and loss of chromosome X or Y in normal somatic cells. Taken together, this study scrutinized somatic mosaicism, clonal architecture, and cellular dynamics in human embryogenesis at an unprecedented level and provides a foundation for future studies to complete cellular phylogenies in human embryogenesis.

Abstract Cerebral microinfarct increases the risk of dementia. But how microscopic cerebrovascular disruption affects the brain tissue in cellular-level are mostly unknown. Herein, with a longitudinal intravital imaging, we serially visualized in vivo dynamic cellular-level changes in astrocyte, pericyte and neuron as well as microvascular integrity after the induction of cerebral microinfarction for 1 month in mice. At day 2-3, it revealed a localized edema with acute astrocyte loss, neuronal death, impaired pericyte-vessel coverage and extravascular leakage indicating blood-brain barrier (BBB) dysfunction. At day 5, edema disappeared with recovery of pericyte-vessel coverage and BBB integrity. But brain tissue continued to shrink with persisted loss of astrocyte and neuron in microinfarct until 30 days, resulting in a collagen-rich fibrous scar surrounding the microinfarct. Notably, reactive astrocytes appeared at the peri-infarct area early at day 2 and thereafter accumulated in the peri-infarct. Oral administration of a reversible monoamine oxidase B inhibitor significantly decreased the astrocyte reactivity and fibrous scar formation. Our result suggests that astrocyte reactivity may be a key target to alleviate the impact of microinfarction.

Abstract Somatic cells accumulate genomic alterations with age; however, our understanding of mitochondrial DNA (mtDNA) mosaicism remains limited. Here we investigated the genomes of 2,096 clones derived from three cell types across 31 donors, identifying 6,451 mtDNA variants with heteroplasmy levels of ≳0.3%. While the majority of these variants were unique to individual clones, suggesting stochastic acquisition with age, 409 variants (6%) were shared across multiple embryonic lineages, indicating their origin from heteroplasmy in fertilized eggs. The mutational spectrum exhibited replication-strand bias, implicating mtDNA replication as a major mutational process. We evaluated the mtDNA mutation rate (5.0 × 10 −8 per base pair) and a turnover frequency of 10–20 per year, which are fundamental components shaping the landscape of mtDNA mosaicism over a lifetime. The expansion of mtDNA-truncating mutations toward homoplasmy was substantially suppressed. Our findings provide comprehensive insights into the origins, dynamics and functional consequences of mtDNA mosaicism in human somatic cells.

The monochorionic placenta in dizygotic twins allows in utero exchange of embryonic cells, resulting in chimerism in the twins. In practice, this chimerism is incidentally identified on mixed ABO blood types or in the presence of cells with a discordant sex chromosome. Here, we applied whole-genome sequencing to one triplet and one twin families to precisely understand their zygotic compositions, using millions of genomic variants as barcodes of zygotic origins. Peripheral blood showed asymmetrical contributions from two sister zygotes, where one of the zygotes was the major clone in both twins. Single-cell RNA sequencing of peripheral blood tissues further showed differential contributions from the two sister zygotes across blood cell types. In contrast, buccal tissues were pure in genetic composition, suggesting that in utero cellular exchanges were confined to the blood tissues. Our study illustrates the cellular history of twinning during human development, which is critical for managing the health of chimeric individuals in the era of genomic medicine.

554 Background: Homologous recombination deficiency (HRD) in breast cancer is an actionable target, with treatment efficacy potentially linked to timely detection. Notably, BRCA1 and BRCA2 are key genes implicated in HRD, and their pathogenic germline mutations are crucial criteria for the use of poly (ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi). Although germline BRCA1/2 mutations are detectable in only a small fraction (1-5%) of breast cancers, recent whole-genome sequencing (WGS) studies have revealed that up to 22% of breast cancers also exhibit HRD-like genomic characteristics, suggesting a broader potential for HRD-targeted therapy. This has spurred the development of genomic-feature-based HRD identification methods. However, the invasive and costly nature of these methods poses a challenge. This has prompted our investigation into non-invasive image biomarkers for HRD identification. Methods: Invasive breast cancer patients were recruited from March 2021 to August 2022. Eligibility criteria included availability of fresh-frozen tumor tissue for WGS and suitability for dynamic contrast-enhanced (DCE) MRI to facilitate radiomics analysis. The association between HRD and radiomic features as well as clinicopathologic factors was investigated through rigorous genomic and statistical analysis. Results: This study encompassed 145 patients aged 20 to 69 years, of whom 16.6% (24 out of 145) were genomically identified as HRD. All patients harboring pathogenic germline mutations in BRCA1 (n=3) or BRCA2 (n=2), along with concomitant somatic LOH, exhibited HRD. A comprehensive analysis of 214 radiomic features revealed that tumor sphericity, informational measure of correlation 1 (IMC1), size-zone non-uniformity normalized (SZNN), and small area emphasis (SAE) derived from subtracted early dynamic T1-weighted imaging were significantly correlated with HRD. Moreover, these radiomic features demonstrated substantial diagnostic value, as evidenced by their ROC-AUC and PR-AUC performance against baseline models: Sphericity (ROC: 0.62, p=0.055; PR: 0.22, p=0.053), SAE (ROC: 0.63, p=0.052; PR: 0.32, p=0.007), SZNN (ROC: 0.63, p=0.04; PR: 0.30, p=0.007), and IMC1 (ROC: 0.62, p=0.067; PR: 0.29, p=0.02). Additionally, our findings suggest that these radiomic features are more directly related to HRD than to the triple-negative phenotype, which is commonly linked to HRD. Conclusions: We found that four radiomic features from MRI have significant predictive value for identifying HRD in breast cancer. Given their fair predictability and immediate availability, these features are ideally suited for a screening approach, potentially identifying more patients eligible for targeted treatment. This finding represents a significant advancement in the fields of radiology and precision oncology, opening new avenues for patient-specific treatment strategies.