Summary

 We describe the landscape of somatic genomic alterations based on multidimensional and comprehensive characterization of more than 500 glioblastoma tumors (GBMs). We identify several novel mutated genes as well as complex rearrangements of signature receptors, including EGFR and PDGFRA. TERT promoter mutations are shown to correlate with elevated mRNA expression, supporting a role in telomerase reactivation. Correlative analyses confirm that the survival advantage of the proneural subtype is conferred by the G-CIMP phenotype, and MGMT DNA methylation may be a predictive biomarker for treatment response only in classical subtype GBM. Integrative analysis of genomic and proteomic profiles challenges the notion of therapeutic inhibition of a pathway as an alternative to inhibition of the target itself. These data will facilitate the discovery of therapeutic and diagnostic target candidates, the validation of research and clinical observations and the generation of unanticipated hypotheses that can advance our molecular understanding of this lethal cancer.

Diffuse low-grade and intermediate-grade gliomas (which together make up the lower-grade gliomas, World Health Organization grades II and III) have highly variable clinical behavior that is not adequately predicted on the basis of histologic class. Some are indolent; others quickly progress to glioblastoma. The uncertainty is compounded by interobserver variability in histologic diagnosis. Mutations in IDH, TP53, and ATRX and codeletion of chromosome arms 1p and 19q (1p/19q codeletion) have been implicated as clinically relevant markers of lower-grade gliomas.

Therapy development for adult diffuse glioma is hindered by incomplete knowledge of somatic glioma driving alterations and suboptimal disease classification. We defined the complete set of genes associated with 1,122 diffuse grade II-III-IV gliomas from The Cancer Genome Atlas and used molecular profiles to improve disease classification, identify molecular correlations, and provide insights into the progression from low- to high-grade disease. Whole-genome sequencing data analysis determined that ATRX but not TERT promoter mutations are associated with increased telomere length. Recent advances in glioma classification based on IDH mutation and 1p/19q co-deletion status were recapitulated through analysis of DNA methylation profiles, which identified clinically relevant molecular subsets. A subtype of IDH mutant glioma was associated with DNA demethylation and poor outcome; a group of IDH-wild-type diffuse glioma showed molecular similarity to pilocytic astrocytoma and relatively favorable survival. Understanding of cohesive disease groups may aid improved clinical outcomes.

The coordinated action of cell cycle progression and cell growth (an increase in cell size and cell mass) is critical for sustained cellular proliferation, yet the biochemical signals that control cell growth are poorly defined, particularly in mammalian systems. We find that cell growth and cell cycle progression are separable processes in mammalian cells and that growth to appropriate cell size requires mTOR- and PI3K-dependent signals. Expression of a rapamycin-resistant mutant of mTOR rescues the reduced cell size phenotype induced by rapamycin in a kinase-dependent manner, showing the evolutionarily conserved role of mTOR in control of cell growth. Expression of S6K1 mutants that possess partial rapamycin-resistant activity or overexpression of eIF4E individually and additively partially rescues the rapamycin-induced decrease in cell size. In the absence of rapamycin, overexpression of S6K1 or eIF4E increases cell size, and, when coexpressed, they cooperate to increase cell size further. Expression of a phosphorylation site-defective mutant of 4EBP1 that constitutively binds the eIF4E-Cap complex to inhibit translation initiation reduces cell size and blocks eIF4E effects on cell size. These data show that mTOR signals downstream to at least two independent targets, S6K1 and 4EBP1/eIF4E, that function in translational control to regulate mammalian cell size.

Direct comparisons of human and non-human primate brains can reveal molecular pathways underlying remarkable specializations of the human brain. However, chimpanzee tissue is inaccessible during neocortical neurogenesis when differences in brain size first appear. To identify human-specific features of cortical development, we leveraged recent innovations that permit generating pluripotent stem cell-derived cerebral organoids from chimpanzee. Despite metabolic differences, organoid models preserve gene regulatory networks related to primary cell types and developmental processes. We further identified 261 differentially expressed genes in human compared to both chimpanzee organoids and macaque cortex, enriched for recent gene duplications, and including multiple regulators of PI3K-AKT-mTOR signaling. We observed increased activation of this pathway in human radial glia, dependent on two receptors upregulated specifically in human: INSR and ITGB8. Our findings establish a platform for systematic analysis of molecular changes contributing to human brain development and evolution.

Comparative genomics allow us to search the human genome for segments that were extensively changed in the last approximately 5 million years since divergence from our common ancestor with chimpanzee, but are highly conserved in other species and thus are likely to be functional. We found 202 genomic elements that are highly conserved in vertebrates but show evidence of significantly accelerated substitution rates in human. These are mostly in non-coding DNA, often near genes associated with transcription and DNA binding. Resequencing confirmed that the five most accelerated elements are dramatically changed in human but not in other primates, with seven times more substitutions in human than in chimp. The accelerated elements, and in particular the top five, show a strong bias for adenine and thymine to guanine and cytosine nucleotide changes and are disproportionately located in high recombination and high guanine and cytosine content environments near telomeres, suggesting either biased gene conversion or isochore selection. In addition, there is some evidence of directional selection in the regions containing the two most accelerated regions. A combination of evolutionary forces has contributed to accelerated evolution of the fastest evolving elements in the human genome.

Summary

 Genetic changes causing brain size expansion in human evolution have remained elusive. Notch signaling is essential for radial glia stem cell proliferation and is a determinant of neuronal number in the mammalian cortex. We find that three paralogs of human-specific NOTCH2NL are highly expressed in radial glia. Functional analysis reveals that different alleles of NOTCH2NL have varying potencies to enhance Notch signaling by interacting directly with NOTCH receptors. Consistent with a role in Notch signaling, NOTCH2NL ectopic expression delays differentiation of neuronal progenitors, while deletion accelerates differentiation into cortical neurons. Furthermore, NOTCH2NL genes provide the breakpoints in 1q21.1 distal deletion/duplication syndrome, where duplications are associated with macrocephaly and autism and deletions with microcephaly and schizophrenia. Thus, the emergence of human-specific NOTCH2NL genes may have contributed to the rapid evolution of the larger human neocortex, accompanied by loss of genomic stability at the 1q21.1 locus and resulting recurrent neurodevelopmental disorders.

Abstract De novo assembly of a human genome using nanopore long-read sequences has been reported, but it used more than 150,000 CPU hours and weeks of wall-clock time. To enable rapid human genome assembly, we present Shasta, a de novo long-read assembler, and polishing algorithms named MarginPolish and HELEN. Using a single PromethION nanopore sequencer and our toolkit, we assembled 11 highly contiguous human genomes de novo in 9 d. We achieved roughly 63× coverage, 42-kb read N50 values and 6.5× coverage in reads >100 kb using three flow cells per sample. Shasta produced a complete haploid human genome assembly in under 6 h on a single commercial compute node. MarginPolish and HELEN polished haploid assemblies to more than 99.9% identity (Phred quality score QV = 30) with nanopore reads alone. Addition of proximity-ligation sequencing enabled near chromosome-level scaffolds for all 11 genomes. We compare our assembly performance to existing methods for diploid, haploid and trio-binned human samples and report superior accuracy and speed.