Renal cell carcinoma with sarcomatoid differentiation (sRCC) is associated with poor survival and a heightened response to immune checkpoint inhibitors (ICIs). Two major barriers to improving outcomes for sRCC are the limited understanding of its gene regulatory programs and the low diagnostic yield of tumor biopsies due to spatial heterogeneity. Herein, we characterized the epigenomic landscape of sRCC by profiling 107 epigenomic libraries from tissue and plasma samples from 50 patients with RCC and healthy volunteers. By profiling histone modifications and DNA methylation, we identified highly recurrent epigenomic reprogramming enriched in sRCC. Furthermore, CRISPRa experiments implicated the transcription factor FOSL1 in activating sRCC-associated gene regulatory programs, and FOSL1 expression was associated with the response to ICIs in RCC in two randomized clinical trials. Finally, we established a blood-based diagnostic approach using detectable sRCC epigenomic signatures in patient plasma, providing a framework for discovering epigenomic correlates of tumor histology via liquid biopsy.

Abstract Xp11 translocation renal cell carcinoma (tRCC) is a female-predominant kidney cancer driven by translocations between the TFE3 gene on chromosome Xp11.2 and partner genes located on either chrX or on autosomes. The rearrangement processes that underlie TFE3 fusions, and whether they are linked to the female sex bias of this cancer, are largely unexplored. Moreover, whether oncogenic TFE3 fusions arise from both the active and inactive X chromosomes in females remains unknown. Here we address these questions by haplotype-specific analyses of whole-genome sequences of 29 tRCC samples from 15 patients and by re-analysis of 145 published tRCC whole-exome sequences. We show that TFE3 fusions universally arise as reciprocal translocations with minimal DNA loss or insertion at paired break ends. Strikingly, we observe a near exact 2:1 female:male ratio in TFE3 fusions arising via X:autosomal translocation (but not via X inversion), which accounts for the female predominance of tRCC. This 2:1 ratio is at least partially attributable to oncogenic fusions involving the inactive X chromosome and is accompanied by partial re-activation of silenced chrX genes on the rearranged chromosome. Our results highlight how somatic alterations involving the X chromosome place unique constraints on tumor initiation and exemplify how genetic rearrangements of the sex chromosomes can underlie cancer sex differences.

Abstract Background Translocation renal cell carcinoma (tRCC) is an aggressive subtype of kidney cancer usually driven by a fusion involving the TFE3 gene. Due to histologic overlap with other subtypes of RCC, tRCC is frequently misclassified. Methods for accurate diagnosis and detection of this molecularly distinct entity are therefore a pressing need. Epigenomic profiling of ctDNA via plasma chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq) has recently emerged as a powerful tool to detect and molecularly subtype cancers and may offer a more sensitive and specific detection of molecular fusions. We aimed to detect tRCC in plasma and to discriminate tRCC from ccRCC based on epigenomic profiling of cfDNA. Methods We first identified differentially expressed gene, methylated regions (DMRs) and regulatory elements (REs) specific to tRCC vs. ccRCC via RNA-seq, methylated DNA immunoprecipitation sequencing (MeDIP-seq) and ChIP-Seq, of 4 tRCC and 5 ccRCC cell lines. We collected 16 plasma samples from metastatic patients with tRCC, 11 with ccRCC and 9 healthy patients (HP). Ultra low pass whole genome sequencing (ulpWGS) was performed to infer ctDNA fraction (TF), and cfMeDIP-seq, H3K4me3/H3K27ac cfChIP-seq for epigenomic profiling. Signal at tRCC-specific regions derived from cell lines profiling was aggregated for each mark and normalized to common active REs and DMRs, then compared between classes using a Wilcoxon rank-sum test. Classification performance was evaluated using the area under the receiver operating characteristic (AUROC) curve. Results Overall 8/16 tRCC and 5/12 ccRCC samples had >3% TF by ulpWGS. H3K4me3 and H3K27ac cfChIP-seq signal was significantly higher in all tRCC samples compared to healthy patients (p<10-6, AUROC =1), at tRCC-specific promoters and tRCC-specific REs respectively. Furthermore, H3K27ac signal in plasma was also significantly higher at tRCC-specific REs in tRCC samples compared to ccRCC (p<10-4, AUROC=0.95). MeDIP-seq could not discriminate between tRCC and ccRCC. Conclusions Although a majority of tRCC plasma samples profiled had TF < 3%, all could be distinguished from healthy samples on the basis of cfChIP. H3K27ac cfChIP-Seq was also discriminatory for tRCC vs. ccRCC. Epigenomic profiling of cfDNA appears as a powerful tool for both detection of tRCC and discrimination from ccRCC/healthy plasma, with potential implications for diagnosis and guiding therapy.