Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

We conducted the largest investigation of predisposition variants in cancer to date, discovering 853 pathogenic or likely pathogenic variants in 8% of 10,389 cases from 33 cancer types. Twenty-one genes showed single or cross-cancer associations, including novel associations of SDHA in melanoma and PALB2 in stomach adenocarcinoma. The 659 predisposition variants and 18 additional large deletions in tumor suppressors, including ATM, BRCA1, and NF1, showed low gene expression and frequent (43%) loss of heterozygosity or biallelic two-hit events. We also discovered 33 such variants in oncogenes, including missenses in MET, RET, and PTPN11 associated with high gene expression. We nominated 47 additional predisposition variants from prioritized VUSs supported by multiple evidences involving case-control frequency, loss of heterozygosity, expression effect, and co-localization with mutations and modified residues. Our integrative approach links rare predisposition variants to functional consequences, informing future guidelines of variant classification and germline genetic testing in cancer.

We analyzed molecular data on 2,579 tumors from The Cancer Genome Atlas (TCGA) of four gynecological types plus breast. Our aims were to identify shared and unique molecular features, clinically significant subtypes, and potential therapeutic targets. We found 61 somatic copy-number alterations (SCNAs) and 46 significantly mutated genes (SMGs). Eleven SCNAs and 11 SMGs had not been identified in previous TCGA studies of the individual tumor types. We found functionally significant estrogen receptor-regulated long non-coding RNAs (lncRNAs) and gene/lncRNA interaction networks. Pathway analysis identified subtypes with high leukocyte infiltration, raising potential implications for immunotherapy. Using 16 key molecular features, we identified five prognostic subtypes and developed a decision tree that classified patients into the subtypes based on just six features that are assessable in clinical laboratories.

ABSTRACT In the mouse embryo, transcriptional activation begins during S/G2 phase of the first cell cycle when paternal and maternal chromatin are still in separate nuclear entities within the same cytoplasm. At this time, the male pronucleus exhibits greater transcriptional activity than the female pronucleus. Since acetylation of histones in the nucleosome octamer exerts a regulatory influence on gene expression, we investigated changes in histone acetylation during the remodeling of paternal and maternal chromatin from sperm entry through to minor genome activation and mitosis. We found (1) neither mature sperm nor metaphase II maternal chromatin stained for hyperacetylated histone H4; (2) immediately following fertilization, hyperacetylated H4 was associated with paternal but not maternal chromatin while, in parthenogenetically activated oocytes, maternal chromatin became hyperacetylated; (3) in zygotes, differential levels and patterns of hyperacetylated H4 between male and female pronuclei persisted throughout most of G1 with histone deacetylases and acetyltransferases already active at this time; (4) when transcriptional differences are observed in S/G2, male and female pronuclei have equivalent levels of H4 hyperacetylation and DNA replication was not required to attain this equivalence and (5) in contrast to the lack of H4 hyperacetylation on gametic chromatin, chromosomes at the first mitosis showed distinct banding patterns of H4 hyperacetylation. These results suggest that sperm chromatin initially out-competes maternal chromatin for the pool of hyperacetylated H4 in the oocyte, that hyperacetylated H4 participates in the process of histone-protamine exchange in the zygote, and that differences in H4 acetylation in male and female pronuclei during G1 are translated across DNA replication to transcriptional differences in S/G2. Prior to fertilization, neither paternal nor maternal chromatin show memory of H4 hyperacetylation patterns but, by the end of the first cell cycle, before major zygotic genome activation at the 2-cell stage, chromosomes already show hyperacetylated H4 banding patterns.

Study of the origin and development of cerebellar tumours has been hampered by the complexity and heterogeneity of cerebellar cells that change over the course of development. Here we use single-cell transcriptomics to study more than 60,000 cells from the developing mouse cerebellum and show that different molecular subgroups of childhood cerebellar tumours mirror the transcription of cells from distinct, temporally restricted cerebellar lineages. The Sonic Hedgehog medulloblastoma subgroup transcriptionally mirrors the granule cell hierarchy as expected, while group 3 medulloblastoma resembles Nestin+ stem cells, group 4 medulloblastoma resembles unipolar brush cells, and PFA/PFB ependymoma and cerebellar pilocytic astrocytoma resemble the prenatal gliogenic progenitor cells. Furthermore, single-cell transcriptomics of human childhood cerebellar tumours demonstrates that many bulk tumours contain a mixed population of cells with divergent differentiation. Our data highlight cerebellar tumours as a disorder of early brain development and provide a proximate explanation for the peak incidence of cerebellar tumours in early childhood.

This integrated, multiplatform PanCancer Atlas study co-mapped and identified distinguishing molecular features of squamous cell carcinomas (SCCs) from five sites associated with smoking and/or human papillomavirus (HPV). SCCs harbor 3q, 5p, and other recurrent chromosomal copy-number alterations (CNAs), DNA mutations, and/or aberrant methylation of genes and microRNAs, which are correlated with the expression of multi-gene programs linked to squamous cell stemness, epithelial-to-mesenchymal differentiation, growth, genomic integrity, oxidative damage, death, and inflammation. Low-CNA SCCs tended to be HPV(+) and display hypermethylation with repression of TET1 demethylase and FANCF, previously linked to predisposition to SCC, or harbor mutations affecting CASP8, RAS-MAPK pathways, chromatin modifiers, and immunoregulatory molecules. We uncovered hypomethylation of the alternative promoter that drives expression of the ΔNp63 oncogene and embedded miR944. Co-expression of immune checkpoint, T-regulatory, and Myeloid suppressor cells signatures may explain reduced efficacy of immune therapy. These findings support possibilities for molecular classification and therapeutic approaches.

Posterior fossa group A (PFA) ependymoma is a lethal brain cancer diagnosed in infants and young children. The lack of driver events in the PFA linear genome led us to search its 3D genome for characteristic features. Here, we reconstructed 3D genomes from diverse childhood tumor types and uncovered a global topology in PFA that is highly reminiscent of stem and progenitor cells in a variety of human tissues. A remarkable feature exclusively present in PFA are type B ultra long-range interactions in PFAs (TULIPs), regions separated by great distances along the linear genome that interact with each other in the 3D nuclear space with surprising strength. TULIPs occur in all PFA samples and recur at predictable genomic coordinates, and their formation is induced by expression of EZHIP. The universality of TULIPs across PFA samples suggests a conservation of molecular principles that could be exploited therapeutically.

The active site of the essential, eukaryotic CDK1 kinase is generated by core structural elements, among which the PSTAIRE motif in the critical αC-helix, is universally conserved in metazoans. The CDK2 kinase, sharing the PSTAIRE, arose early in metazoan evolution and permitted subdivision of tasks along the S-M-phase axis. The marine chordate, Oikopleura dioica , is the only metazoan known to possess more than a single CDK1 ortholog, and all of its 5 paralogs show sequence divergences in the PSTAIRE. Through assessing CDK1 gene duplications in the appendicularian lineage, we show that the CDK1 activation loop substrate binding platform, ATP entrance site, hinge region, and main Cyclin binding interface, have all diversified under positive selection. Three of the 5 CDK1 paralogs are required for embryonic divisions and knockdown phenotypes illustrate further subdivision of functions along the S-M-phase axis. In parallel to CDK1 gene duplications, there has also been amplification in the Cyclin B complement. Among these, the CDK1d:Cyclin Ba pairing is required for oogenic meiosis and early embryogenesis and shows evidence of coevolution of an exclusive interaction. In an intriguing twist on the general rule that Cyclin B oscillations on a background of stable CDK1 levels regulate M-phase MPF activity, it is CDK1d protein levels that oscillate, rather than Cyclin Ba levels, to drive rapid, early embryonic cell cycles. Strikingly, the modified PSTAIRE of odCDK1d shows convergence over great evolutionary distance with plant CDKB, and in both O. dioica , and plants, these variants exhibit increased specialization to M-phase.

Abstract Gangliogliomas are brain tumors composed of neuron-like and macroglia-like components that occur in children and young adults. Gangliogliomas are often characterized by a rare population of immature astrocyte-appearing cells expressing CD34, a marker expressed in the neuroectoderm (neural precursor cells) during embryogenesis. New insights are needed to refine tumor classification and to identify therapeutic approaches. We evaluated five gangliogliomas with single nucleus RNA-seq, cellular indexing of transcriptomes and epitopes by sequencing, and/or spatially-resolved RNA-seq. We uncovered a population of CD34+ neoplastic cells with mixed neuroectodermal, immature astrocyte, and neuronal markers. Gene regulatory network interrogation in these neuroectoderm-like cells revealed control of transcriptional programming by TCF7L2/MEIS1-PAX6 and SOX2, similar to that found during neuroectodermal/neural development. Developmental trajectory analyses place neuroectoderm-like tumor cells as precursor cells that give rise to neuron-like and macroglia-like neoplastic cells. Spatially-resolved transcriptomics revealed a neuroectoderm-like tumor cell niche with relative lack of vascular and immune cells. We used these high resolution results to deconvolute clinically-annotated transcriptomic data, confirming that CD34+ cell-associated gene programs associate with gangliogliomas compared to other glial brain tumors. Together, these deep transcriptomic approaches characterized a ganglioglioma cellular hierarchy - confirming CD34+ neuroectoderm-like tumor precursor cells, controlling transcription programs, cell signaling, and associated immune cell states. These findings may guide tumor classification, diagnosis, prognostication, and therapeutic investigations.

In phylogenetically diverse organisms, the 5' ends of a subset of mRNAs are trans-spliced with a spliced leader (SL) RNA. The functions of SL trans-splicing, however, remain largely enigmatic. Here, we quantified translation genome-wide in the marine chordate, Oikopleura dioica, under inhibition of mTOR, a central growth regulator. Translation of trans-spliced TOP mRNAs was suppressed, showing that the SL sequence permits nutrient-dependent translational control of growth-related mRNAs. Under crowded, nutrient-limiting conditions, O. dioica continues to filter-feed, but arrests growth until favorable conditions return. Upon release from such conditions, initial recovery was independent of nutrient-responsive, trans-spliced genes, suggesting animal density sensing as a first trigger for resumption of development. Our results demonstrate a role for trans-splicing in the coordinated translational down-regulation of nutrient-responsive genes under limiting conditions and suggest an innovative strategy for rapid evolution of mTOR targets in genomes of metazoans whose reproduction is tightly linked to nutritional cues.