The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project dissects how genetic variation affects gene expression and splicing.

Cell type composition, estimated from bulk tissue, maps the cellular specificity of genetic variants.

Many complex human phenotypes exhibit sex-differentiated characteristics. However, the molecular mechanisms underlying these differences remain largely unknown. We generated a catalog of sex differences in gene expression and in the genetic regulation of gene expression across 44 human tissue sources surveyed by the Genotype-Tissue Expression project (GTEx, v8 release). We demonstrate that sex influences gene expression levels and cellular composition of tissue samples across the human body. A total of 37% of all genes exhibit sex-biased expression in at least one tissue. We identify cis expression quantitative trait loci (eQTLs) with sex-differentiated effects and characterize their cellular origin. By integrating sex-biased eQTLs with genome-wide association study data, we identify 58 gene-trait associations that are driven by genetic regulation of gene expression in a single sex. These findings provide an extensive characterization of sex differences in the human transcriptome and its genetic regulation.

Telomere length within an individual varies in a correlated manner across most tissues.

Oxygen sensing is central to metazoan biology and has implications for human disease. Mammalian cells express multiple oxygen-dependent enzymes called 2-oxoglutarate (OG)-dependent dioxygenases (2-OGDDs), but they vary in their oxygen affinities and hence their ability to sense oxygen. The 2-OGDD histone demethylases control histone methylation. Hypoxia increases histone methylation, but whether this reflects direct effects on histone demethylases or indirect effects caused by the hypoxic induction of the HIF (hypoxia-inducible factor) transcription factor or the 2-OG antagonist 2-hydroxyglutarate (2-HG) is unclear. Here, we report that hypoxia promotes histone methylation in a HIF- and 2-HG-independent manner. We found that the H3K27 histone demethylase KDM6A/UTX, but not its paralog KDM6B, is oxygen sensitive. KDM6A loss, like hypoxia, prevented H3K27 demethylation and blocked cellular differentiation. Restoring H3K27 methylation homeostasis in hypoxic cells reversed these effects. Thus, oxygen directly affects chromatin regulators to control cell fate.

Abstract Transcript alterations often result from somatic changes in cancer genomes 1 . Various forms of RNA alterations have been described in cancer, including overexpression 2 , altered splicing 3 and gene fusions 4 ; however, it is difficult to attribute these to underlying genomic changes owing to heterogeneity among patients and tumour types, and the relatively small cohorts of patients for whom samples have been analysed by both transcriptome and whole-genome sequencing. Here we present, to our knowledge, the most comprehensive catalogue of cancer-associated gene alterations to date, obtained by characterizing tumour transcriptomes from 1,188 donors of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA) 5 . Using matched whole-genome sequencing data, we associated several categories of RNA alterations with germline and somatic DNA alterations, and identified probable genetic mechanisms. Somatic copy-number alterations were the major drivers of variations in total gene and allele-specific expression. We identified 649 associations of somatic single-nucleotide variants with gene expression in cis , of which 68.4% involved associations with flanking non-coding regions of the gene. We found 1,900 splicing alterations associated with somatic mutations, including the formation of exons within introns in proximity to Alu elements. In addition, 82% of gene fusions were associated with structural variants, including 75 of a new class, termed ‘bridged’ fusions, in which a third genomic location bridges two genes. We observed transcriptomic alteration signatures that differ between cancer types and have associations with variations in DNA mutational signatures. This compendium of RNA alterations in the genomic context provides a rich resource for identifying genes and mechanisms that are functionally implicated in cancer.

Abstract About half of all cancers have somatic integrations of retrotransposons. Here, to characterize their role in oncogenesis, we analyzed the patterns and mechanisms of somatic retrotransposition in 2,954 cancer genomes from 38 histological cancer subtypes within the framework of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) project. We identified 19,166 somatically acquired retrotransposition events, which affected 35% of samples and spanned a range of event types. Long interspersed nuclear element (LINE-1; L1 hereafter) insertions emerged as the first most frequent type of somatic structural variation in esophageal adenocarcinoma, and the second most frequent in head-and-neck and colorectal cancers. Aberrant L1 integrations can delete megabase-scale regions of a chromosome, which sometimes leads to the removal of tumor-suppressor genes, and can induce complex translocations and large-scale duplications. Somatic retrotranspositions can also initiate breakage–fusion–bridge cycles, leading to high-level amplification of oncogenes. These observations illuminate a relevant role of 22 L1 retrotransposition in remodeling the cancer genome, with potential implications for the development of human tumors.

Determining protein levels in each tissue and how they compare with RNA levels is important for understanding human biology and disease as well as regulatory processes that control protein levels. We quantified the relative protein levels from over 12,000 genes across 32 normal human tissues. Tissue-specific or tissue-enriched proteins were identified and compared to transcriptome data. Many ubiquitous transcripts are found to encode tissue-specific proteins. Discordance of RNA and protein enrichment revealed potential sites of synthesis and action of secreted proteins. The tissue-specific distribution of proteins also provides an in-depth view of complex biological events that require the interplay of multiple tissues. Most importantly, our study demonstrated that protein tissue-enrichment information can explain phenotypes of genetic diseases, which cannot be obtained by transcript information alone. Overall, our results demonstrate how understanding protein levels can provide insights into regulation, secretome, metabolism, and human diseases.

ABSTRACT Synthetic lethality — a genetic interaction that results in cell death when two genetic deficiencies co-occur but not when either deficiency occurs alone — can be co-opted for cancer therapeutics. A pair of paralog genes is among the most straightforward synthetic lethal interaction by virtue of their redundant functions. Here we demonstrate a paralog-based synthetic lethality by targeting Vaccinia-Related Kinase 1 (VRK1) in Vaccinia-Related Kinase 2 (VRK2)-methylated glioblastoma (GBM). VRK2 is silenced by promoter methylation in approximately two-thirds of GBM, an aggressive cancer with few available targeted therapies. Genetic knockdown of VRK1 in VRK2-null or VRK2-methylated cells results in decreased activity of the downstream substrate Barrier to Autointegration Factor (BAF), a regulator of post-mitotic nuclear envelope formation. VRK1 knockdown, and thus reduced BAF activity, causes nuclear lobulation, blebbing and micronucleation, which subsequently results in G2/M arrest and DNA damage. The VRK1-VRK2 synthetic lethal interaction is dependent on VRK1 kinase activity and is rescued by ectopic VRK2 expression. Knockdown of VRK1 leads to robust tumor growth inhibition in VRK2-methylated GBM xenografts. These results indicate that inhibiting VRK1 kinase activity could be a viable therapeutic strategy in VRK2-methylated GBM.