We report genome sequences of 17 inbred strains of laboratory mice and identify almost ten times more variants than previously known. We use these genomes to explore the phylogenetic history of the laboratory mouse and to examine the functional consequences of allele-specific variation on transcript abundance, revealing that at least 12% of transcripts show a significant tissue-specific expression bias. By identifying candidate functional variants at 718 quantitative trait loci we show that the molecular nature of functional variants and their position relative to genes vary according to the effect size of the locus. These sequences provide a starting point for a new era in the functional analysis of a key model organism.

Rare mutations affecting the FOXP2 transcription factor cause a monogenic speech and language disorder. We hypothesized that neural pathways downstream of FOXP2 influence more common phenotypes, such as specific language impairment.

Left–right asymmetrical brain function underlies much of human cognition, behavior and emotion. Abnormalities of cerebral asymmetry are associated with schizophrenia and other neuropsychiatric disorders. The molecular, developmental and evolutionary origins of human brain asymmetry are unknown. We found significant association of a haplotype upstream of the gene LRRTM1 (Leucine-rich repeat transmembrane neuronal 1) with a quantitative measure of human handedness in a set of dyslexic siblings, when the haplotype was inherited paternally (P=0.00002). While we were unable to find this effect in an epidemiological set of twin-based sibships, we did find that the same haplotype is overtransmitted paternally to individuals with schizophrenia/schizoaffective disorder in a study of 1002 affected families (P=0.0014). We then found direct confirmatory evidence that LRRTM1 is an imprinted gene in humans that shows a variable pattern of maternal downregulation. We also showed that LRRTM1 is expressed during the development of specific forebrain structures, and thus could influence neuronal differentiation and connectivity. This is the first potential genetic influence on human handedness to be identified, and the first putative genetic effect on variability in human brain asymmetry. LRRTM1 is a candidate gene for involvement in several common neurodevelopmental disorders, and may have played a role in human cognitive and behavioral evolution.

The laboratory mouse has become the workhorse of biomedical research. The draft sequence of the mouse reference genome was published in 2002, but some forms of variation are still poorly documented. Two papers in this issue go a long way towards filling the gaps. The generation and analysis of sequence from 17 key mouse genomes, including most of the commonly used inbred strains and their progenitors, reveal extensive genetic variation and provide insights into the molecular nature of functional variants as well as the phylogenetic history of the lab mouse. The data will be an important resource for a new era of functional analysis. The second paper describes the landscape of structural variants in the genomes of 13 classical and four wild-derived inbred mouse strains, mapping many of them to base-pair resolution. Despite their prevalence, structural variants are shown to have a relatively small impact on phenotypic variation. Structural variation is widespread in mammalian genomes1,2 and is an important cause of disease3, but just how abundant and important structural variants (SVs) are in shaping phenotypic variation remains unclear4,5. Without knowing how many SVs there are, and how they arise, it is difficult to discover what they do. Combining experimental with automated analyses, we identified 711,920 SVs at 281,243 sites in the genomes of thirteen classical and four wild-derived inbred mouse strains. The majority of SVs are less than 1 kilobase in size and 98% are deletions or insertions. The breakpoints of 160,000 SVs were mapped to base pair resolution, allowing us to infer that insertion of retrotransposons causes more than half of SVs. Yet, despite their prevalence, SVs are less likely than other sequence variants to cause gene expression or quantitative phenotypic variation. We identified 24 SVs that disrupt coding exons, acting as rare variants of large effect on gene function. One-third of the genes so affected have immunological functions.

Forkhead-box protein P2 is a transcription factor that has been associated with intriguing aspects of cognitive function in humans, non-human mammals, and song-learning birds. Heterozygous mutations of the human FOXP2 gene cause a monogenic speech and language disorder. Reduced functional dosage of the mouse version (Foxp2) causes deficient cortico-striatal synaptic plasticity and impairs motor-skill learning. Moreover, the songbird orthologue appears critically important for vocal learning. Across diverse vertebrate species, this well-conserved transcription factor is highly expressed in the developing and adult central nervous system. Very little is known about the mechanisms regulated by Foxp2 during brain development. We used an integrated functional genomics strategy to robustly define Foxp2-dependent pathways, both direct and indirect targets, in the embryonic brain. Specifically, we performed genome-wide in vivo ChIP–chip screens for Foxp2-binding and thereby identified a set of 264 high-confidence neural targets under strict, empirically derived significance thresholds. The findings, coupled to expression profiling and in situ hybridization of brain tissue from wild-type and mutant mouse embryos, strongly highlighted gene networks linked to neurite development. We followed up our genomics data with functional experiments, showing that Foxp2 impacts on neurite outgrowth in primary neurons and in neuronal cell models. Our data indicate that Foxp2 modulates neuronal network formation, by directly and indirectly regulating mRNAs involved in the development and plasticity of neuronal connections.

The most well-described example of an inherited speech and language disorder is that observed in the multigenerational KE family, caused by a heterozygous missense mutation in the FOXP2 gene [1Lai C.S. Fisher S.E. Hurst J.A. Vargha-Khadem F. Monaco A.P. A forkhead-domain gene is mutated in a severe speech and language disorder.Nature. 2001; 413: 519-523Crossref PubMed Scopus (1430) Google Scholar]. Affected individuals are characterized by deficits in the learning and production of complex orofacial motor sequences underlying fluent speech and display impaired linguistic processing for both spoken and written language [2Watkins K.E. Dronkers N.F. Vargha-Khadem F. Behavioural analysis of an inherited speech and language disorder: comparison with acquired aphasia.Brain. 2002; 125: 452-464Crossref PubMed Scopus (270) Google Scholar]. The FOXP2 transcription factor is highly similar in many vertebrate species, with conserved expression in neural circuits related to sensorimotor integration and motor learning [3Fisher S.E. Marcus G.F. The eloquent ape: genes, brains and the evolution of language.Nat. Rev. Genet. 2006; 7: 9-20Crossref PubMed Scopus (157) Google Scholar, 4Vargha-Khadem F. Gadian D.G. Copp A. Mishkin M. FOXP2 and the neuroanatomy of speech and language.Nat. Rev. Neurosci. 2005; 6: 131-138Crossref PubMed Scopus (331) Google Scholar]. In this study, we generated mice carrying an identical point mutation to that of the KE family, yielding the equivalent arginine-to-histidine substitution in the Foxp2 DNA-binding domain. Homozygous R552H mice show severe reductions in cerebellar growth and postnatal weight gain but are able to produce complex innate ultrasonic vocalizations. Heterozygous R552H mice are overtly normal in brain structure and development. Crucially, although their baseline motor abilities appear to be identical to wild-type littermates, R552H heterozygotes display significant deficits in species-typical motor-skill learning, accompanied by abnormal synaptic plasticity in striatal and cerebellar neural circuits.

Adversity, particularly in early life, can cause illness. Clues to the responsible mechanisms may lie with the discovery of molecular signatures of stress, some of which include alterations to an individual’s somatic genome. Here, using genome sequences from 11,670 women, we observed a highly significant association between a stress-related disease, major depression, and the amount of mtDNA (p = 9.00 × 10−42, odds ratio 1.33 [95% confidence interval [CI] = 1.29–1.37]) and telomere length (p = 2.84 × 10−14, odds ratio 0.85 [95% CI = 0.81–0.89]). While both telomere length and mtDNA amount were associated with adverse life events, conditional regression analyses showed the molecular changes were contingent on the depressed state. We tested this hypothesis with experiments in mice, demonstrating that stress causes both molecular changes, which are partly reversible and can be elicited by the administration of corticosterone. Together, these results demonstrate that changes in the amount of mtDNA and telomere length are consequences of stress and entering a depressed state. These findings identify increased amounts of mtDNA as a molecular marker of MD and have important implications for understanding how stress causes the disease.

The immune microenvironment influences tumour evolution and can be both prognostic and predict response to immunotherapy1,2. However, measurements of tumour infiltrating lymphocytes (TILs) are limited by a shortage of appropriate data. Whole-exome sequencing (WES) of DNA is frequently performed to calculate tumour mutational burden and identify actionable mutations. Here we develop T cell exome TREC tool (T cell ExTRECT), a method for estimation of T cell fraction from WES samples using a signal from T cell receptor excision circle (TREC) loss during V(D)J recombination of the T cell receptor-α gene (TCRA (also known as TRA)). TCRA T cell fraction correlates with orthogonal TIL estimates and is agnostic to sample type. Blood TCRA T cell fraction is higher in females than in males and correlates with both tumour immune infiltrate and presence of bacterial sequencing reads. Tumour TCRA T cell fraction is prognostic in lung adenocarcinoma. Using a meta-analysis of tumours treated with immunotherapy, we show that tumour TCRA T cell fraction predicts immunotherapy response, providing value beyond measuring tumour mutational burden. Applying T cell ExTRECT to a multi-sample pan-cancer cohort reveals a high diversity of the degree of immune infiltration within tumours. Subclonal loss of 12q24.31–32, encompassing SPPL3, is associated with reduced TCRA T cell fraction. T cell ExTRECT provides a cost-effective technique to characterize immune infiltrate alongside somatic changes. A robust, cost-effective technique based on whole-exome sequencing data can be used to characterize immune infiltrates, relate the extent of these infiltrates to somatic changes in tumours, and enables prediction of tumour responses to immune checkpoint inhibition therapy.

Abstract Two mutations occurred in SARS-CoV-2 early during the COVID-19 pandemic that have come to define circulating virus lineages 1 : first a change in the spike protein (D614G) that defines the B.1 lineage and second, a double substitution in the nucleocapsid protein (R203K, G204R) that defines the B.1.1 lineage, which has subsequently given rise to three Variants of Concern: Alpha, Gamma and Omicron. While the latter mutations appear unremarkable at the protein level, there are dramatic implications at the nucleotide level: the GGG→AAC substitution generates a new Transcription Regulatory Sequence (TRS) motif, driving SARS-CoV-2 to express a novel subgenomic mRNA (sgmRNA) encoding a truncated C-terminal portion of nucleocapsid (N.iORF3), which is an inhibitor of type I interferon production. We find that N.iORF3 also emerged independently within the Iota variant, and further show that additional TRS motifs have convergently evolved to express novel sgmRNAs; notably upstream of Spike within the nsp16 coding region of ORF1b, which is expressed during human infection. Our findings demonstrate that SARS-CoV-2 is undergoing evolutionary changes at the functional RNA level in addition to the amino acid level, reminiscent of eukaryotic evolution. Greater attention to this aspect in the assessment of emerging strains of SARS-CoV-2 is warranted.

Abstract The phenomenon of mixed/heterogenous treatment responses to cancer therapies within an individual patient presents a challenging clinical scenario. Furthermore, the molecular basis of mixed intra-patient tumor responses remains unclear. Here, we show that patients with metastatic lung adenocarcinoma harbouring co-mutations of EGFR and TP53 , are more likely to have mixed intra-patient tumor responses to EGFR tyrosine kinase inhibition (TKI), compared to those with an EGFR mutation alone. The combined presence of whole genome doubling (WGD) and TP53 co-mutations leads to increased genome instability and genomic copy number aberrations in genes implicated in EGFR TKI resistance. Using mouse models and an in vitro isogenic p53 -mutant model system, we provide evidence that WGD provides diverse routes to drug resistance by increasing the probability of acquiring copy-number gains or losses relative to non-WGD cells. These data provide a molecular basis for mixed tumor responses to targeted therapy, within an individual patient, with implications for therapeutic strategies.