Abstract Cancer is driven by genetic change, and the advent of massively parallel sequencing has enabled systematic documentation of this variation at the whole-genome scale 1–3 . Here we report the integrative analysis of 2,658 whole-cancer genomes and their matching normal tissues across 38 tumour types from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA). We describe the generation of the PCAWG resource, facilitated by international data sharing using compute clouds. On average, cancer genomes contained 4–5 driver mutations when combining coding and non-coding genomic elements; however, in around 5% of cases no drivers were identified, suggesting that cancer driver discovery is not yet complete. Chromothripsis, in which many clustered structural variants arise in a single catastrophic event, is frequently an early event in tumour evolution; in acral melanoma, for example, these events precede most somatic point mutations and affect several cancer-associated genes simultaneously. Cancers with abnormal telomere maintenance often originate from tissues with low replicative activity and show several mechanisms of preventing telomere attrition to critical levels. Common and rare germline variants affect patterns of somatic mutation, including point mutations, structural variants and somatic retrotransposition. A collection of papers from the PCAWG Consortium describes non-coding mutations that drive cancer beyond those in the TERT promoter 4 ; identifies new signatures of mutational processes that cause base substitutions, small insertions and deletions and structural variation 5,6 ; analyses timings and patterns of tumour evolution 7 ; describes the diverse transcriptional consequences of somatic mutation on splicing, expression levels, fusion genes and promoter activity 8,9 ; and evaluates a range of more-specialized features of cancer genomes 8,10–18 .

Structural variants are implicated in numerous diseases and make up the majority of varying nucleotides among human genomes. Here we describe an integrated set of eight structural variant classes comprising both balanced and unbalanced variants, which we constructed using short-read DNA sequencing data and statistically phased onto haplotype blocks in 26 human populations. Analysing this set, we identify numerous gene-intersecting structural variants exhibiting population stratification and describe naturally occurring homozygous gene knockouts that suggest the dispensability of a variety of human genes. We demonstrate that structural variants are enriched on haplotypes identified by genome-wide association studies and exhibit enrichment for expression quantitative trait loci. Additionally, we uncover appreciable levels of structural variant complexity at different scales, including genic loci subject to clusters of repeated rearrangement and complex structural variants with multiple breakpoints likely to have formed through individual mutational events. Our catalogue will enhance future studies into structural variant demography, functional impact and disease association. The Structural Variation Analysis Group of The 1000 Genomes Project reports an integrated structural variation map based on discovery and genotyping of eight major structural variation classes in 2,504 unrelated individuals from across 26 populations; structural variation is compared within and between populations and its functional impact is quantified. The Structural Variation Analysis Group of The 1000 Genomes Project reports an integrated structural variation map based on discovery and genotyping of eight major structural variation classes in genomes for 2,504 unrelated individuals from across 26 populations. They characterize structural variation within and between populations and quantify its functional effect. The authors further create a phased reference panel that will be valuable for population genetic and disease association studies.

Abstract Motivation: The discovery of genomic structural variants (SVs) at high sensitivity and specificity is an essential requirement for characterizing naturally occurring variation and for understanding pathological somatic rearrangements in personal genome sequencing data. Of particular interest are integrated methods that accurately identify simple and complex rearrangements in heterogeneous sequencing datasets at single-nucleotide resolution, as an optimal basis for investigating the formation mechanisms and functional consequences of SVs. Results: We have developed an SV discovery method, called DELLY, that integrates short insert paired-ends, long-range mate-pairs and split-read alignments to accurately delineate genomic rearrangements at single-nucleotide resolution. DELLY is suitable for detecting copy-number variable deletion and tandem duplication events as well as balanced rearrangements such as inversions or reciprocal translocations. DELLY, thus, enables to ascertain the full spectrum of genomic rearrangements, including complex events. On simulated data, DELLY compares favorably to other SV prediction methods across a wide range of sequencing parameters. On real data, DELLY reliably uncovers SVs from the 1000 Genomes Project and cancer genomes, and validation experiments of randomly selected deletion loci show a high specificity. Availability: DELLY is available at www.korbel.embl.de/software.html Contact: tobias.rausch@embl.de

Genomic structural variants (SVs) are abundant in humans, differing from other forms of variation in extent, origin and functional impact. Despite progress in SV characterization, the nucleotide resolution architecture of most SVs remains unknown. We constructed a map of unbalanced SVs (that is, copy number variants) based on whole genome DNA sequencing data from 185 human genomes, integrating evidence from complementary SV discovery approaches with extensive experimental validations. Our map encompassed 22,025 deletions and 6,000 additional SVs, including insertions and tandem duplications. Most SVs (53%) were mapped to nucleotide resolution, which facilitated analysing their origin and functional impact. We examined numerous whole and partial gene deletions with a genotyping approach and observed a depletion of gene disruptions amongst high frequency deletions. Furthermore, we observed differences in the size spectra of SVs originating from distinct formation mechanisms, and constructed a map of SV hotspots formed by common mechanisms. Our analytical framework and SV map serves as a resource for sequencing-based association studies. Copy number variations (or CNVs) are large-scale deletions, duplications and insertions that contribute significantly to genetic variation in the human genome, and many CNVs are linked to susceptibility to disease. A high-resolution map of CNVs has now been produced by harnessing information from whole-genome sequencing in 185 individuals. Nucleotide resolution of the map facilitates analysis of structural variant distribution and identification of the mechanisms of their origin. The study provides a resource for sequence-based association studies. Harnessing information from whole genome sequencing in 185 individuals, this study generates a high-resolution map of copy number variants. Nucleotide resolution of the map facilitates analysis of structural variant distribution and identification of the mechanisms of their origin. The study provides a resource for sequence-based association studies.

Medulloblastoma is an aggressively growing tumour, arising in the cerebellum or medulla/brain stem. It is the most common malignant brain tumour in children, and shows tremendous biological and clinical heterogeneity. Despite recent treatment advances, approximately 40% of children experience tumour recurrence, and 30% will die from their disease. Those who survive often have a significantly reduced quality of life. Four tumour subgroups with distinct clinical, biological and genetic profiles are currently identified. WNT tumours, showing activated wingless pathway signalling, carry a favourable prognosis under current treatment regimens. SHH tumours show hedgehog pathway activation, and have an intermediate prognosis. Group 3 and 4 tumours are molecularly less well characterized, and also present the greatest clinical challenges. The full repertoire of genetic events driving this distinction, however, remains unclear. Here we describe an integrative deep-sequencing analysis of 125 tumour-normal pairs, conducted as part of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) PedBrain Tumor Project. Tetraploidy was identified as a frequent early event in Group 3 and 4 tumours, and a positive correlation between patient age and mutation rate was observed. Several recurrent mutations were identified, both in known medulloblastoma-related genes (CTNNB1, PTCH1, MLL2, SMARCA4) and in genes not previously linked to this tumour (DDX3X, CTDNEP1, KDM6A, TBR1), often in subgroup-specific patterns. RNA sequencing confirmed these alterations, and revealed the expression of what are, to our knowledge, the first medulloblastoma fusion genes identified. Chromatin modifiers were frequently altered across all subgroups. These findings enhance our understanding of the genomic complexity and heterogeneity underlying medulloblastoma, and provide several potential targets for new therapeutics, especially for Group 3 and 4 patients.

Genomic rearrangements are thought to occur progressively during tumor development. Recent findings, however, suggest an alternative mechanism, involving massive chromosome rearrangements in a one-step catastrophic event termed chromothripsis. We report the whole-genome sequencing-based analysis of a Sonic-Hedgehog medulloblastoma (SHH-MB) brain tumor from a patient with a germline TP53 mutation (Li-Fraumeni syndrome), uncovering massive, complex chromosome rearrangements. Integrating TP53 status with microarray and deep sequencing-based DNA rearrangement data in additional patients reveals a striking association between TP53 mutation and chromothripsis in SHH-MBs. Analysis of additional tumor entities substantiates a link between TP53 mutation and chromothripsis, and indicates a context-specific role for p53 in catastrophic DNA rearrangements. Among these, we observed a strong association between somatic TP53 mutations and chromothripsis in acute myeloid leukemia. These findings connect p53 status and chromothripsis in specific tumor types, providing a genetic basis for understanding particularly aggressive subtypes of cancer.

The incomplete identification of structural variants (SVs) from whole-genome sequencing data limits studies of human genetic diversity and disease association. Here, we apply a suite of long-read, short-read, strand-specific sequencing technologies, optical mapping, and variant discovery algorithms to comprehensively analyze three trios to define the full spectrum of human genetic variation in a haplotype-resolved manner. We identify 818,054 indel variants (<50 bp) and 27,622 SVs (≥50 bp) per genome. We also discover 156 inversions per genome and 58 of the inversions intersect with the critical regions of recurrent microdeletion and microduplication syndromes. Taken together, our SV callsets represent a three to sevenfold increase in SV detection compared to most standard high-throughput sequencing studies, including those from the 1000 Genomes Project. The methods and the dataset presented serve as a gold standard for the scientific community allowing us to make recommendations for maximizing structural variation sensitivity for future genome sequencing studies.

Smoothened (SMO) inhibitors recently entered clinical trials for sonic-hedgehog-driven medulloblastoma (SHH-MB). Clinical response is highly variable. To understand the mechanism(s) of primary resistance and identify pathways cooperating with aberrant SHH signaling, we sequenced and profiled a large cohort of SHH-MBs (n = 133). SHH pathway mutations involved PTCH1 (across all age groups), SUFU (infants, including germline), and SMO (adults). Children >3 years old harbored an excess of downstream MYCN and GLI2 amplifications and frequent TP53 mutations, often in the germline, all of which were rare in infants and adults. Functional assays in different SHH-MB xenograft models demonstrated that SHH-MBs harboring a PTCH1 mutation were responsive to SMO inhibition, whereas tumors harboring an SUFU mutation or MYCN amplification were primarily resistant.

A combination of single-molecule long-read sequencing, single-molecule genome mapping and short-read sequencing provides reference-quality de novo assemblies and also shows improved phasing and variant detection over short-read assemblies when mapping to a reference genome. We present the first comprehensive analysis of a diploid human genome that combines single-molecule sequencing with single-molecule genome maps. Our hybrid assembly markedly improves upon the contiguity observed from traditional shotgun sequencing approaches, with scaffold N50 values approaching 30 Mb, and we identified complex structural variants (SVs) missed by other high-throughput approaches. Furthermore, by combining Illumina short-read data with long reads, we phased both single-nucleotide variants and SVs, generating haplotypes with over 99% consistency with previous trio-based studies. Our work shows that it is now possible to integrate single-molecule and high-throughput sequence data to generate de novo assembled genomes that approach reference quality.