Purpose Histologic transformation of EGFR mutant lung adenocarcinoma (LADC) into small-cell lung cancer (SCLC) has been described as one of the major resistant mechanisms for epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitors (TKIs). However, the molecular pathogenesis is still unclear. Methods We investigated 21 patients with advanced EGFR-mutant LADCs that were transformed into EGFR TKI–resistant SCLCs. Among them, whole genome sequencing was applied for nine tumors acquired at various time points from four patients to reconstruct their clonal evolutionary history and to detect genetic predictors for small-cell transformation. The findings were validated by immunohistochemistry in 210 lung cancer tissues. Results We identified that EGFR TKI–resistant LADCs and SCLCs share a common clonal origin and undergo branched evolutionary trajectories. The clonal divergence of SCLC ancestors from the LADC cells occurred before the first EGFR TKI treatments, and the complete inactivation of both RB1 and TP53 were observed from the early LADC stages in sequenced tumors. We extended the findings by immunohistochemistry in the early-stage LADC tissues of 75 patients treated with EGFR TKIs; inactivation of both Rb and p53 was strikingly more frequent in the small-cell–transformed group than in the nontransformed group (82% v 3%; odds ratio, 131; 95% CI, 19.9 to 859). Among patients registered in a predefined cohort (n = 65), an EGFR mutant LADC that harbored completely inactivated Rb and p53 had a 43× greater risk of small-cell transformation (relative risk, 42.8; 95% CI, 5.88 to 311). Branch-specific mutational signature analysis revealed that apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like (APOBEC)–induced hypermutation was frequent in the branches toward small-cell transformation. Conclusion EGFR TKI–resistant SCLCs are branched out early from the LADC clones that harbor completely inactivated RB1 and TP53. The evaluation of RB1 and TP53 status in EGFR TKI–treated LADCs is informative in predicting small-cell transformation.

Summary

 On the basis of multidimensional and comprehensive molecular characterization (including DNA methalylation and copy number, RNA, and protein expression), we classified 894 renal cell carcinomas (RCCs) of various histologic types into nine major genomic subtypes. Site of origin within the nephron was one major determinant in the classification, reflecting differences among clear cell, chromophobe, and papillary RCC. Widespread molecular changes associated with TFE3 gene fusion or chromatin modifier genes were present within a specific subtype and spanned multiple subtypes. Differences in patient survival and in alteration of specific pathways (including hypoxia, metabolism, MAP kinase, NRF2-ARE, Hippo, immune checkpoint, and PI3K/AKT/mTOR) could further distinguish the subtypes. Immune checkpoint markers and molecular signatures of T cell infiltrates were both highest in the subtype associated with aggressive clear cell RCC. Differences between the genomic subtypes suggest that therapeutic strategies could be tailored to each RCC disease subset.

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.

Most somatic mutations arising during normal development present as low-level in single or multiple tissues depending on the developmental stage and affected organs 1-4 . However, it remains unclear how the human developmental stages or mutation-carrying organs affect somatic mutations’ features. Here, we performed a systemic and comprehensive analysis of low-level somatic mutations using deep whole-exome sequencing (WES; average read depth: ∼500×) of 498 multiple organ tissues with matched controls from 190 individuals. We found that early-stage mutations shared between multiple organs are lower in number but showed higher allele frequencies than late-stage mutations [0.54 vs. 5.83 variants per individual: 6.17% vs. 1.5% variant allele frequency (VAF)] along with less nonsynonymous mutations and lower functional impacts. Additionally, early- and late-stage mutations had unique mutational signatures distinct from tumor-originate mutations. Compared with early-stage mutations presenting a clock-like signature across all studied organs or tissues, late-stage mutations show organ, tissue, and cell-type specificity in mutation count, VAFs, and mutational signatures. In particular, analysis of brain somatic mutations shows bimodal occurrence and temporal-lobe-specific mutational signatures. These findings provide new insight into the features of somatic mosaicisms dependent on developmental stages and brain regions.

Summary Over the course of an individual’s lifetime, genomic alterations accumulate in somatic cells. However, the mutational landscape by retrotranspositions of long interspersed nuclear element-1 ( L1 ), a widespread mobile element in the human genome, is poorly understood in normal cells. Here, we explored the whole-genome sequences of 892 single-cell clones established from various tissues collected from 28 individuals. Remarkably, 88% of colorectal epithelial cells acquired somatic L1 retrotranspositions ( soL1Rs ), carrying ∼3 events per cell on average with substantial intra- and inter-individual variances, which was accelerated at least 10-fold during tumourigenesis. Breakpoints of soL1Rs suggested that a few variant mechanisms can be involved in the L1 retrotransposition processes. Fingerprinting of donor L1s using source-specific unique sequences revealed 34 hot L1s, 44% of which were newly discovered in this study, and many ultra-rare hot L1s in the human population showed higher retrotransposition potential in somatic lineages than common sources. Multi-dimensional analysis of soL1Rs with early embryonic developmental relationships, genome-wide methylation, and gene expression profiles of the clones demonstrated that (1) soL1Rs occur from early embryogenesis at a substantial rate, (2) epigenetic activation of hot L1s is stochastically acquired during the wave of early global epigenomic reprogramming, rather than by the sporadic loss-of-methylation at the late stage, and (3) most L1 transcripts in the cytoplasm do not generate soL1Rs in somatic lineages. In summary, this study provides insights into the retrotransposition dynamics of L1s in the human genome and the resultant somatic mosaicism in normal human cells.

Abstract Low-level somatic mutations in the human brain are implicated in various neurological disorders. The contribution of low-level brain somatic mutations to autism spectrum disorder (ASD), however, remains poorly understood. Here, we performed high-depth exome sequencing with an average read depth of 559.3x in 181 cortical, cerebellar, and peripheral tissue samples to identify brain somatic single nucleotide variants (SNVs) in 24 ASD subjects and 31 controls. We detected ~2.4 brain somatic SNVs per exome per single brain region, with a variant allele frequency (VAF) as low as 0.3%. The mutational profiles, including the number, signature, and type, were not significantly different between the ASD patients and controls. Intriguingly, when considering genes with low-level brain somatic SNVs and ASD risk genes with damaging germline SNVs together, the merged set of genes carrying either somatic or germline SNVs in ASD patients was significantly involved in ASD-associated pathophysiology, including dendrite spine morphogenesis ( p = 0.025), mental retardation ( p = 0.012), and intrauterine growth retardation ( p = 0.012). Additionally, the merged gene set showed ASD-associated spatiotemporal expression in the early and mid-fetal cortex, striatum, and thalamus (all p < 0.05). Patients with damaging mutations in the merged gene set had a greater ASD risk than did controls (odds ratio = 3.92, p = 0.025, 95% confidence interval = 1.12–14.79). The findings of this study suggest that brain somatic SNVs and germline SNVs may collectively contribute to ASD-associated pathophysiology.

Three-dimensional chromatin structures regulate gene expression across genome. The significance of de novo mutations (DNMs) affecting chromatin interactions in autism spectrum disorder (ASD) remains poorly understood. We generated 931 whole-genome sequences for Korean simplex families to detect DNMs and identified target genes dysregulated by noncoding DNMs via long-range chromatin interactions between regulatory elements. Notably, noncoding DNMs that affect chromatin interactions exhibited transcriptional dysregulation implicated in ASD risks. Correspondingly, target genes were significantly involved in histone modification, prenatal brain development, and pregnancy. Both noncoding and coding DNMs collectively contributed to low IQ in ASD. Indeed, noncoding DNMs resulted in alterations, via chromatin interactions, in target gene expression in primitive neural stem cells derived from human induced pluripotent stem cells from an ASD subject. The emerging neurodevelopmental genes, not previously implicated in ASD, include CTNNA2, GRB10, IKZF1, PDE3B, and BACE1. Our results were reproducible in 517 probands from MSSNG cohort. This work demonstrates that noncoding DNMs contribute to ASD via chromatin interactions.