To explore the biology of lung adenocarcinoma (LUAD) and identify new therapeutic opportunities, we performed comprehensive proteogenomic characterization of 110 tumors and 101 matched normal adjacent tissues (NATs) incorporating genomics, epigenomics, deep-scale proteomics, phosphoproteomics, and acetylproteomics. Multi-omics clustering revealed four subgroups defined by key driver mutations, country, and gender. Proteomic and phosphoproteomic data illuminated biology downstream of copy number aberrations, somatic mutations, and fusions and identified therapeutic vulnerabilities associated with driver events involving KRAS, EGFR, and ALK. Immune subtyping revealed a complex landscape, reinforced the association of STK11 with immune-cold behavior, and underscored a potential immunosuppressive role of neutrophil degranulation. Smoking-associated LUADs showed correlation with other environmental exposure signatures and a field effect in NATs. Matched NATs allowed identification of differentially expressed proteins with potential diagnostic and therapeutic utility. This proteogenomics dataset represents a unique public resource for researchers and clinicians seeking to better understand and treat lung adenocarcinomas.

Mutations are typically perceived as random, independent events. We describe here nonrandom clustered mutations in yeast and in human cancers. Genome sequencing of yeast grown under chronic alkylation damage identified mutation clusters that extend up to 200 kb. A predominance of “strand-coordinated” changes of either cytosines or guanines in the same strand, mutation patterns, and genetic controls indicated that simultaneous mutations were generated by base alkylation in abnormally long single-strand DNA (ssDNA) formed at double-strand breaks (DSBs) and replication forks. Significantly, we found mutation clusters with analogous features in sequenced human cancers. Strand-coordinated clusters of mutated cytosines or guanines often resided near chromosome rearrangement breakpoints and were highly enriched with a motif targeted by APOBEC family cytosine-deaminases, which strongly prefer ssDNA. These data indicate that hypermutation via multiple simultaneous changes in randomly formed ssDNA is a general phenomenon that may be an important mechanism producing rapid genetic variation.

Dmitry Gordenin and colleagues use a yeast reporter strain to identify distinct mutagenic signatures for the cytosine deaminases APOBEC3A and APOBEC3B. They find that cancer samples with APOBEC3A-like mutation signatures have greater than tenfold more APOBEC signature mutations than those with APOBEC3B-like signatures. Elucidation of mutagenic processes shaping cancer genomes is a fundamental problem whose solution promises insights into new treatment, diagnostic and prevention strategies1. Single-strand DNA–specific APOBEC cytidine deaminase(s) are major source(s) of mutation in several cancer types2,3,4. Previous indirect evidence implicated APOBEC3B as the more likely major mutator deaminase, whereas the role of APOBEC3A is not established5,6. Using yeast models enabling the controlled generation of long single-strand genomic DNA substrates7, we show that the mutation signatures of APOBEC3A and APOBEC3B are statistically distinguishable. We then apply three complementary approaches to identify cancer samples with mutation signatures resembling either APOBEC. Strikingly, APOBEC3A-like samples have over tenfold more APOBEC-signature mutations than APOBEC3B-like samples. We propose that APOBEC3A-mediated mutagenesis is much more frequent because APOBEC3A itself is highly proficient at generating DNA breaks8,9,10, whose repair can trigger the formation of single-strand hypermutation substrates.

Abstract Centromeres are chromosomal regions that serve as platforms for kinetochore assembly and spindle attachments, ensuring accurate chromosome segregation during cell division. Despite functional conservation, centromere DNA sequences are diverse and often repetitive, making them challenging to assemble and identify. Here, we describe centromeres in an oomycete Phytophthora sojae by combining long-read sequencing-based genome assembly and chromatin immunoprecipitation for the centromeric histone CENP-A followed by high-throughput sequencing (ChIP-seq). P. sojae centromeres cluster at a single focus at different life stages and during nuclear division. We report an improved genome assembly of the P. sojae reference strain, which enabled identification of 15 enriched CENP-A binding regions as putative centromeres. By focusing on a subset of these regions, we demonstrate that centromeres in P. sojae are regional, spanning 211 to 356 kb. Most of these regions are transposon-rich, poorly transcribed, and lack the histone modification H3K4me2 but are embedded within regions with the heterochromatin marks H3K9me3 and H3K27me3. Strikingly, we discovered a Copia -like transposon (CoLT) that is highly enriched in the CENP-A chromatin. Similar clustered elements are also found in oomycete relatives of P. sojae , and may be applied as a criterion for prediction of oomycete centromeres. This work reveals a divergence of centromere features in oomycetes as compared to other organisms in the Stramenopila-Alveolata-Rhizaria (SAR) supergroup including diatoms and Plasmodium falciparum that have relatively short and simple regional centromeres. Identification of P. sojae centromeres in turn also advances the genome assembly. Author summary Oomycetes are fungal-like microorganisms that belong to the stramenopiles within the Stramenopila-Alveolata-Rhizaria (SAR) supergroup. The Phytophthora oomycetes are infamous as plant killers, threatening crop production worldwide. Because of the highly repetitive nature of their genomes, assembly of oomycete genomes presents challenges that impede identification of centromeres, which are chromosomal sites mediating faithful chromosome segregation. We report long-read sequencing-based genome assembly of the Phytophthora sojae reference strain, which facilitated the discovery of centromeres. P. sojae harbors large regional centromeres fully embedded in heterochromatin, and enriched for a Copia -like transposon that is also found in discrete clusters in other oomycetes. This study provides insight into the oomycete genome organization, broadens our knowledge of the centromere structure, function and evolution in eukaryotes, and may help elucidate the high frequency of aneuploidy during oomycete reproduction.

ABSTRACT Three-methyl cytosine (3meC) are toxic DNA lesions, blocking base pairing. Bacteria and humans, express members of the AlkB enzymes family, which directly remove 3meC. However, other organisms, including budding yeast, lack this class of enzymes. It remains an unanswered evolutionary question as to how yeast repairs 3meC, particularly in single-stranded DNA. The yeast Shu complex, a conserved homologous recombination factor, aids in preventing replication-associated mutagenesis from DNA base damaging agents such as methyl methanesulfonate (MMS). We found that MMS-treated Shu complex-deficient cells, exhibit a genome-wide increase in A:T and G:C substitutions mutations. The G:C substitutions displayed transcriptional and replicational asymmetries consistent with mutations resulting from 3meC. Ectopic expression of a human AlkB homolog in Shu-deficient yeast rescues MMS-induced growth defects and increased mutagenesis. Finally, the Shu complex exhibits increased affinity for 3meC-containing DNA. Thus, our work identifies a novel mechanism for coping with alkylation adducts.

Abstract We describe the genomes of six Mucoromycotina fungi representing distant saprotrophic lineages within the subphylum (i.e. Umbelopsidales and Mucorales). We selected two Umbelopsis isolates from soil (i.e. U. isabellina, U. vinacea ), two soil-derived Mucor isolates (i.e. M. circinatus, M. plumbeus ), and two Mucorales representatives with extended proteolytic activity (i.e. Thamnidium elegans and Mucor saturninus ). We complement genome analyses with a description of their digestive capabilities, their cell wall carbohydrate composition, and total lipid profiles. Finally, we link the presence of endohyphal bacteria with observed characteristics. One of the genomes, Thamnidium elegans , harbours a complete genome of an associated bacterium classified to Paenibacillus sp. This fungus displays multiple altered traits compared to remaining isolates regardless of their evolutionary distance. T. elegans has expanded carbon assimilation capabilities particularly efficiently degrades carboxylic acids, has a higher diacylglycerol: triacylglycerol ratio and phospholipid composition suggesting a more rigid cellular membrane. Comparison of early-diverging Umbelopsidales with evolutionary younger Mucorales points at several differences particularly in their carbon source preferences and encoded carbohydrate repertoire. All tested Mucoromycotina shares features including the ability to produce 18:3 gamma-linoleic acid and fucose as a cell wall component. Author Summary In our paper, we report on the genomic sequences of six Mucoromycotina strains and an associated bacterium from Paenibacillus genus. Mucoromycotina are often studied in pathogenic context albeit their basic biology remains understudied. This manuscript expands on the collection of currently sequenced Mucorales and Umbelopsidales, including the first sequenced Thamnidium isolate, which was sequenced together with a Paenibacillus bacterium. The interaction with a bacterial partner alters the metabolism, cell membrane composition but not the exoskeleton of the fungus. The associated bacterium provided multiple enzymes that significantly expanded the digestive capabilities of the fungal host. Parallel sequencing and phenotyping of Mucorales and Umbelopsidales enabled us to look at the differences of both lineages within Mucoromycotina. We demonstrate that the predicted digestive capabilities are in line with experimental validation. Based on the cell wall composition data and genomic underpinnings of carbohydrate metabolism we were able to confirm the universal presence of fucose in Mucoromycotina cell walls. Fatty acid, phospholipid and acylglycerol composition support the usage of 18:3 gamma-linoleic acid as a chemotaxonomic marker of Mucoromycotina and corroborate TAG as a dominant storage lipid in these organisms. Genomic features, digestive capabilities, fatty acid composition differ between Mucorales and Ubelopsidales pointing at subtle but significant changes in the course of Mucoromycotina radiation.

ABSTRACT Conventional models of genome evolution are centered around the principle that mutations form independently of each other and build up slowly over time. We characterized the occurrence of bursts of genome-wide loss-of-heterozygosity (LOH) in Saccharomyces cerevisiae , providing support for an additional non-independent and faster mode of mutation accumulation. We initially characterized a yeast clone isolated for carrying an LOH event at a specific chromosome site, and surprisingly, found that it also carried multiple unselected rearrangements elsewhere in its genome. Whole genome analysis of over 100 additional clones selected for carrying primary LOH tracts revealed that they too contained unselected structural alterations more often than control clones obtained without any selection. We also measured the rates of coincident LOH at two different chromosomes and found that double LOH formed at rates 14-150 fold higher than expected if the two underlying single LOH events occurred independently of each other. These results were consistent across different strain backgrounds, and in mutants incapable of entering meiosis. Our results indicate that a subset of mitotic cells within a population can experience discrete episodes of systemic genomic instability, when the entire genome becomes vulnerable and multiple chromosomal alterations can form over a narrow time window. They are reminiscent of early reports from the classic yeast genetics literature, as well as recent studies in humans, both in the cancer and genomic disorder contexts. The experimental model we describe provides a system to further dissect the fundamental biological processes responsible for punctuated bursts of structural genomic variation. SIGNIFICANCE STATEMENT Mutations are generally thought to accumulate independently and gradually over many generations. Here, we combined complementary experimental approaches in budding yeast to track the appearance of chromosomal changes resulting in loss-of-heterozygosity (LOH). In contrast to the prevailing model, our results provide evidence for the existence of a path for non-independent accumulation of multiple chromosomal alteration events over few generations. These results are analogous to recent reports of bursts of genomic instability in human cells. The experimental model we describe provides a system to further dissect the fundamental biological processes underlying such punctuated bursts of mutation accumulation.

Conventional models of genome evolution generally include the assumption that mutations accumulate gradually and independently over time. We characterized the occurrence of sudden spikes in the accumulation of genome-wide loss-of-heterozygosity (LOH) in Saccharomyces cerevisiae, suggesting the existence of a mitotic systemic genomic instability process (mitSGI). We characterized the emergence of a rough colony morphology phenotype resulting from an LOH event spanning a specific locus (ACE2/ace2-A7). Surprisingly, half of the clones analyzed also carried unselected secondary LOH tracts elsewhere in their genomes. The number of secondary LOH tracts detected was 20-fold higher than expected assuming independence between mutational events. Secondary LOH tracts were not detected in control clones without a primary selected LOH event. We then measured the rates of single and double LOH at different chromosome pairs and found that coincident LOH accumulated at rates 30-100 fold higher than expected if the two underlying single LOH events occurred independently. These results were consistent between two different strain backgrounds, and in mutant strains incapable of entering meiosis. Our results indicate that a subset of mitotic cells within a population experience systemic genomic instability episodes, resulting in multiple chromosomal rearrangements over one or few generations. They are reminiscent of early reports from the classic yeast genetics literature, as well as recent studies in humans, both in the cancer and genomic disorder contexts, all of which challenge the idea of gradual accumulation of structural genomic variation. Our experimental approach provides a model to further dissect the fundamental mechanisms responsible for mitSGI.