Chromatin accessibility is essential in regulating gene expression and cellular identity, and alterations in accessibility have been implicated in driving cancer initiation, progression and metastasis1-4. Although the genetic contributions to oncogenic transitions have been investigated, epigenetic drivers remain less understood. Here we constructed a pan-cancer epigenetic and transcriptomic atlas using single-nucleus chromatin accessibility data (using single-nucleus assay for transposase-accessible chromatin) from 225 samples and matched single-cell or single-nucleus RNA-sequencing expression data from 206 samples. With over 1 million cells from each platform analysed through the enrichment of accessible chromatin regions, transcription factor motifs and regulons, we identified epigenetic drivers associated with cancer transitions. Some epigenetic drivers appeared in multiple cancers (for example, regulatory regions of ABCC1 and VEGFA; GATA6 and FOX-family motifs), whereas others were cancer specific (for example, regulatory regions of FGF19, ASAP2 and EN1, and the PBX3 motif). Among epigenetically altered pathways, TP53, hypoxia and TNF signalling were linked to cancer initiation, whereas oestrogen response, epithelial-mesenchymal transition and apical junction were tied to metastatic transition. Furthermore, we revealed a marked correlation between enhancer accessibility and gene expression and uncovered cooperation between epigenetic and genetic drivers. This atlas provides a foundation for further investigation of epigenetic dynamics in cancer transitions.

ABSTRACT Breast cancer is a heterogeneous disease, and treatment is guided by biomarker profiles representing distinct molecular subtypes. Breast cancer arises from the breast ductal epithelium, and experimental data suggests breast cancer subtypes have different cells of origin within that lineage. The precise cells of origin for each subtype and the transcriptional networks that characterize these tumor-normal lineages are not established. In this work, we applied bulk, single-cell (sc), and single-nucleus (sn) multi-omic techniques as well as spatial transcriptomics and multiplex imaging on 61 samples from 37 breast cancer patients to show characteristic links in gene expression and chromatin accessibility between breast cancer subtypes and their putative cells of origin. We applied the PAM50 subtyping algorithm in tandem with bulk RNA-seq and snRNA-seq to reliably subtype even low-purity tumor samples and confirm promoter accessibility using snATAC. Trajectory analysis of chromatin accessibility and differentially accessible motifs clearly connected progenitor populations with breast cancer subtypes supporting the cell of origin for basal-like and luminal A and B tumors. Regulatory network analysis of transcription factors underscored the importance of BHLHE40 in luminal breast cancer and luminal mature cells, and KLF5 in basal-like tumors and luminal progenitor cells. Furthermore, we identify key genes defining the basal-like ( PRKCA , SOX6 , RGS6 , KCNQ3 ) and luminal A/B ( FAM155A , LRP1B ) lineages, with expression in both precursor and cancer cells and further upregulation in tumors. Exhausted CTLA4-expressing CD8+ T cells were enriched in basal-like breast cancer, suggesting altered means of immune dysfunction among breast cancer subtypes. We used spatial transcriptomics and multiplex imaging to provide spatial detail for key markers of benign and malignant cell types and immune cell colocation. These findings demonstrate analysis of paired transcription and chromatin accessibility at the single cell level is a powerful tool for investigating breast cancer lineage development and highlight transcriptional networks that define basal and luminal breast cancer lineages.

Although genomic anomalies in glioblastoma (GBM) have been well studied for over a decade, its 5-year survival rate remains lower than 5%. We seek to expand the molecular landscape of high-grade glioma, composed of IDH-wildtype GBM and IDH-mutant grade 4 astrocytoma, by integrating proteomic, metabolomic, lipidomic, and post-translational modifications (PTMs) with genomic and transcriptomic measurements to uncover multi-scale regulatory interactions governing tumor development and evolution. Applying 14 proteogenomic and metabolomic platforms to 228 tumors (212 GBM and 16 grade 4 IDH-mutant astrocytoma), including 28 at recurrence, plus 18 normal brain samples and 14 brain metastases as comparators, reveals heterogeneous upstream alterations converging on common downstream events at the proteomic and metabolomic levels and changes in protein-protein interactions and glycosylation site occupancy at recurrence. Recurrent genetic alterations and phosphorylation events on PTPN11 map to important regulatory domains in three dimensions, suggesting a central role for PTPN11 signaling across high-grade gliomas.