Abstract Mutagenic processes leave distinct signatures in cancer genomes. The mutational signatures attributed to APOBEC3 cytidine deaminases are pervasive in human cancers. However, data linking individual APOBEC3 proteins to cancer mutagenesis in vivo are limited. Here, we show that transgenic expression of human APOBEC3G promotes mutagenesis, genomic instability, and kataegis, leading to shorter survival in a murine bladder cancer model. Acting as mutagenic fuel, APOBEC3G increases the clonal diversity of bladder cancers, driving divergent cancer evolution. We characterize the single base substitution signature induced by APOBEC3G in vivo , showing the induction of a mutational signature different from that caused by APOBEC3A and APOBEC3B. Analysis of thousands of human cancers reveals the contribution of APOBEC3G to the mutational profiles of multiple cancer types, including bladder cancer. Our findings define the role of APOBEC3G in cancer mutagenesis and clonal heterogeneity. These results potentially inform future therapeutic efforts that restrict tumor evolution.

Abstract Advanced urothelial cancer is a frequently lethal disease characterized by marked genetic heterogeneity. In this study, we investigate the evolution of the genomic signatures caused by endogenous and external mutagenic stimuli and their interplay with complex structural variants. We superimposed mutational signatures and phylogenetic analyses of matched serial tumors from patients with urothelial cancer to define the evolutionary patterns of these processes. We show that APOBEC3-induced mutations are clonal and early, whereas mutational bursts comprising hundreds of late subclonal mutations are induced by chemotherapy. Using a novel genome graph computational paradigm, we observed frequent circular high copy-number amplicons characteristic of extrachromosomal DNA (ecDNA) involving double-minutes, breakage-fusion-bridge, and tyfonas events. We characterized the distinct temporal patterns of APOBEC3 mutations and chemotherapy-induced mutations within ecDNA, gaining new insights into the timing of these events relative to ecDNA biogenesis. Finally, we discovered that most CCND1 amplifications in urothelial cancer arise within circular ecDNA amplicons. These CCND1 ecDNA amplification events persisted and increased in complexity incorporating additional DNA segments potentially contributing selective fitness advantage to the evolution of treatment resistance. Our findings define fundamental mechanisms driving urothelial cancer evolution and have therapeutic implications for treating this disease.