Myeloproliferative neoplasms, such as polycythemia vera, essential thrombocythemia, and myelofibrosis, are chronic hematologic cancers with varied progression rates. The genomic characterization of patients with myeloproliferative neoplasms offers the potential for personalized diagnosis, risk stratification, and treatment.

Abstract Age-related change in human haematopoiesis causes reduced regenerative capacity 1 , cytopenias 2 , immune dysfunction 3 and increased risk of blood cancer 4–6 , but the reason for such abrupt functional decline after 70 years of age remains unclear. Here we sequenced 3,579 genomes from single cell-derived colonies of haematopoietic cells across 10 human subjects from 0 to 81 years of age. Haematopoietic stem cells or multipotent progenitors (HSC/MPPs) accumulated a mean of 17 mutations per year after birth and lost 30 base pairs per year of telomere length. Haematopoiesis in adults less than 65 years of age was massively polyclonal, with high clonal diversity and a stable population of 20,000–200,000 HSC/MPPs contributing evenly to blood production. By contrast, haematopoiesis in individuals aged over 75 showed profoundly decreased clonal diversity. In each of the older subjects, 30–60% of haematopoiesis was accounted for by 12–18 independent clones, each contributing 1–34% of blood production. Most clones had begun their expansion before the subject was 40 years old, but only 22% had known driver mutations. Genome-wide selection analysis estimated that between 1 in 34 and 1 in 12 non-synonymous mutations were drivers, accruing at constant rates throughout life, affecting more genes than identified in blood cancers. Loss of the Y chromosome conferred selective benefits in males. Simulations of haematopoiesis, with constant stem cell population size and constant acquisition of driver mutations conferring moderate fitness benefits, entirely explained the abrupt change in clonal structure in the elderly. Rapidly decreasing clonal diversity is a universal feature of haematopoiesis in aged humans, underpinned by pervasive positive selection acting on many more genes than currently identified.

Genetic profiles of the bladder Depending on the environment of the individual, the human bladder can be exposed to carcinogens as they are flushed through the body. Lawson et al. and Li et al. examined the genetic composition of laser-dissected microbiopsies from normal and cancer cells collected from the urothelium, a specialized epithelium lining the lower urinary tract (see the Perspective by Rozen). These complementary studies identified the mutational landscape of bladder urothelium through various sequencing strategies and identified high mutational heterogeneity within and between individuals and tumors. Both studies identified mutational profiles related to specific carcinogens such as aristolochic acid and the molecules found in tobacco. These studies present a comprehensive description of the diverse mutational landscape of the human bladder in health and disease, unraveling positive selection for cancer-causing mutations, a diversity of mutational processes, and large differences across individuals. Science , this issue p. 75 , p. 82 ; see also p. 34

Abstract Clonal expansions driven by somatic mutations become pervasive across human tissues with age, including in the haematopoietic system, where the phenomenon is termed clonal haematopoiesis 1–4 . The understanding of how and when clonal haematopoiesis develops, the factors that govern its behaviour, how it interacts with ageing and how these variables relate to malignant progression remains limited 5,6 . Here we track 697 clonal haematopoiesis clones from 385 individuals 55 years of age or older over a median of 13 years. We find that 92.4% of clones expanded at a stable exponential rate over the study period, with different mutations driving substantially different growth rates, ranging from 5% ( DNMT3A and TP53 ) to more than 50% per year ( SRSF2 P95H ). Growth rates of clones with the same mutation differed by approximately ±5% per year, proportionately affecting slow drivers more substantially. By combining our time-series data with phylogenetic analysis of 1,731 whole-genome sequences of haematopoietic colonies from 7 individuals from an older age group, we reveal distinct patterns of lifelong clonal behaviour. DNMT3A -mutant clones preferentially expanded early in life and displayed slower growth in old age, in the context of an increasingly competitive oligoclonal landscape. By contrast, splicing gene mutations drove expansion only later in life, whereas TET2 -mutant clones emerged across all ages. Finally, we show that mutations driving faster clonal growth carry a higher risk of malignant progression. Our findings characterize the lifelong natural history of clonal haematopoiesis and give fundamental insights into the interactions between somatic mutation, ageing and clonal selection.

ABSTRACT Mutations in cancer-associated genes drive tumour outgrowth. However, the timing of driver mutations and dynamics of clonal expansion that lead to human cancers are largely unknown. We used 448,553 somatic mutations from whole-genome sequencing of 843 clonal haematopoietic colonies to reconstruct the phylogeny of haematopoiesis, from embryogenesis to clinical disease, in 10 patients with myeloproliferative neoplasms which are blood cancers more common in older age. JAK2 V617F , the pathognomonic mutation in these cancers, was acquired in utero or childhood, with upper estimates of age of acquisition ranging between 4.1 months and 11.4 years across 5 patients. DNMT3A mutations, which are associated with age-related clonal haematopoiesis, were also acquired in utero or childhood, by 7.9 weeks of gestation to 7.8 years across 4 patients. Subsequent driver mutation acquisition was separated by decades. The mean latency between JAK2 V617F acquisition and clinical presentation was 31 years (range 12-54 years). Rates of clonal expansion varied substantially (<10% to >200% expansion/year), were affected by additional driver mutations, and predicted latency to clinical presentation. Driver mutations and rates of expansion would have been detectable in blood one to four decades before clinical presentation. This study reveals how driver mutation acquisition very early in life with life-long growth and evolution drive adult blood cancer, providing opportunities for early detection and intervention, and a new paradigm for cancer development.

Abstract Age-related change in human haematopoiesis causes reduced regenerative capacity 1 , cytopenias 2 , immune dysfunction 3 and increased risk of blood cancer. The cellular alterations that underpin the abruptness of this functional decline after the age of 70 years remain elusive. We sequenced 3579 genomes from single-cell-derived colonies of haematopoietic stem cell/multipotent progenitors (HSC/MPPs) across 10 haematologically normal subjects aged 0-81 years. HSC/MPPs accumulated 17 mutations/year after birth and lost 30bp/year of telomere length. Haematopoiesis in adults aged <65 was massively polyclonal, with high indices of clonal diversity and a stable population of 20,000–200,000 HSC/MPPs contributing evenly to blood production. In contrast, haematopoiesis in individuals aged >75 showed profoundly decreased clonal diversity. In each elderly subject, 30-60% of haematopoiesis was accounted for by 12-18 independent clones, each contributing 1-34% of blood production. Most clones had begun their expansion before age 40, but only 22% had known driver mutations. Genome-wide selection analysis estimated that 1/34 to 1/12 non-synonymous mutations were drivers, occurring at a constant rate throughout life, affecting a wider pool of genes than identified in blood cancers. Loss of Y chromosome conferred selective benefits on HSC/MPPs in males. Simulations from a simple model of haematopoiesis, with constant HSC population size and constant acquisition of driver mutations conferring moderate fitness benefits, entirely explained the abrupt change in clonal structure in the elderly. Rapidly decreasing clonal diversity is a universal feature of haematopoiesis in aged humans, underpinned by pervasive positive selection acting on many more genes than currently identified.

Summary Human cells acquire somatic mutations throughout life, some of which can drive clonal expansion. Such expansions are frequent in the haematopoietic system of healthy individuals and have been termed clonal haematopoiesis (CH). While CH predisposes to myeloid neoplasia and other diseases, we have limited understanding of how and when CH develops, what factors govern its behaviour, how it interacts with ageing and how these variables relate to malignant progression. Here, we track 697 CH clones from 385 individuals aged 55 or older over a median of 13 years. We find that 92.4% of clones expanded at a stable exponential rate over the study period, with different mutations driving substantially different growth rates, ranging from 5% ( DNMT3A , TP53 ) to over 50%/yr ( SRSF2- P95H). Growth rates of clones with the same mutation differed by approximately +/−5%/yr, proportionately impacting “slow” drivers more substantially. By combining our time-series data with phylogenetic analysis of 1,731 whole genome-sequenced haematopoietic colonies from 7 older individuals, we reveal distinct patterns of lifelong clonal behaviour. DNMT3A -mutant clones preferentially expanded early in life and displayed slower growth in old age, in the context of an increasingly competitive oligoclonal landscape. By contrast, splicing gene mutations only drove expansion later in life, while growth of TET2 -mutant clones showed minimal age-dependency. Finally, we show that mutations driving faster clonal growth carry a higher risk of malignant progression. Our findings characterise the lifelong natural history of CH and give fundamental insights into the interactions between somatic mutation, ageing and clonal selection.

Abstract DNA is subject to continual damage, leaving each cell with thousands of individual DNA lesions at any given moment 1–3 . The efficiency of DNA repair means that most known classes of lesion have a half-life of minutes to hours 3,4 , but the extent to which DNA damage can persist for longer durations remains unknown. Here, using high-resolution phylogenetic trees from 89 donors, we identified mutations arising from 818 DNA lesions that persisted across multiple cell cycles in normal human stem cells from blood, liver and bronchial epithelium 5–12 . Persistent DNA lesions occurred at increased rates, with distinctive mutational signatures, in donors exposed to tobacco or chemotherapy, suggesting that they can arise from exogenous mutagens. In haematopoietic stem cells, persistent DNA lesions, probably from endogenous sources, generated the characteristic mutational signature SBS19 13 ; occurred steadily throughout life, including in utero; and endured for 2.2 years on average, with 15–25% of lesions lasting at least 3 years. We estimate that on average, a haematopoietic stem cell has approximately eight such lesions at any moment in time, half of which will generate a mutation with each cell cycle. Overall, 16% of mutations in blood cells are attributable to SBS19, and similar proportions of driver mutations in blood cancers exhibit this signature. These data indicate the existence of a family of DNA lesions that arise from endogenous and exogenous mutagens, are present in low numbers per genome, persist for months to years, and can generate a substantial fraction of the mutation burden of somatic cells.