Individualized neuronal mutations in the human brain The neurons of the human brain can last for decades, carrying out computational and signaling functions. Lodato et al. analyzed the DNA of individual neurons sampled from postmortem human brains and found that individual neurons acquired somatic mutations (see the Perspective by Linnarsson). The mechanism of mutation involved gene transcription rather than DNA replication. Thus, postmitotic neurons would seem to be their own worst enemy: Genes used for neuronal function are the very genes put most at risk of somatic mutation. Science , this issue p. 94 ; see also p. 37

A major unanswered question in neuroscience is whether there exists genomic variability between individual neurons of the brain, contributing to functional diversity or to an unexplained burden of neurological disease. To address this question, we developed a method to amplify genomes of single neurons from human brains. Because recent reports suggest frequent LINE-1 (L1) retrotransposition in human brains, we performed genome-wide L1 insertion profiling of 300 single neurons from cerebral cortex and caudate nucleus of three normal individuals, recovering >80% of germline insertions from single neurons. While we find somatic L1 insertions, we estimate <0.6 unique somatic insertions per neuron, and most neurons lack detectable somatic insertions, suggesting that L1 is not a major generator of neuronal diversity in cortex and caudate. We then genotyped single cortical cells to characterize the mosaicism of a somatic AKT3 mutation identified in a child with hemimegalencephaly. Single-neuron sequencing allows systematic assessment of genomic diversity in the human brain.

Summary

 Hemimegalencephaly (HMG) is a developmental brain disorder characterized by an enlarged, malformed cerebral hemisphere, typically causing epilepsy that requires surgical resection. We studied resected HMG tissue to test whether the condition might reflect somatic mutations affecting genes critical to brain development. We found that two out of eight HMG samples showed trisomy of chromosome 1q, which encompasses many genes, including AKT3, a gene known to regulate brain size. A third case showed a known activating mutation in AKT3 (c.49G→A, creating p.E17K) that was not present in the patient's blood cells. Remarkably, the E17K mutation in AKT3 is exactly paralogous to E17K mutations in AKT1 and AKT2 recently discovered in somatic overgrowth syndromes. We show that AKT3 is the most abundant AKT paralog in the brain during neurogenesis and that phosphorylated AKT is abundant in cortical progenitor cells. Our data suggest that somatic mutations limited to the brain could represent an important cause of complex neurogenetic disease.

Microsatellites are highly mutable sequences that can serve as markers for relationships among individuals or cells within a population. The accuracy and resolution of reconstructing these relationships depends on the fidelity of microsatellite profiling and the number of microsatellites profiled. However, current methods for targeted profiling of microsatellites incur significant "stutter" artifacts that interfere with accurate genotyping, and sequencing costs preclude whole-genome microsatellite profiling of a large number of samples. We developed a novel method for accurate and cost-effective targeted profiling of a panel of > 150,000 microsatellites per sample, along with a computational tool for designing large-scale microsatellite panels. Our method addresses the greatest challenge for microsatellite profiling - "stutter" artifacts - with a low-temperature hybridization capture that significantly reduces these artifacts. We also developed a computational tool for accurate genotyping of the resulting microsatellite sequencing data that uses an ensemble approach integrating three microsatellite genotyping tools, which we optimize by analysis of de novo microsatellite mutations in human trios. Altogether, our suite of experimental and computational tools enables high-fidelity, large-scale profiling of microsatellites, which may find utility in diverse applications such as lineage tracing, population genetics, ecology, and forensics.

Autoinflammatory disease can result from monogenic errors of immunity. We describe herein the first example of a patient with early-onset widespread autoinflammation resulting from a mosaic, heterozygous, gain-of-function mutation (S703I) in JAK1 , encoding a kinase essential for signaling downstream of over twenty-five cytokines. By first-of-its-kind custom single-cell RNA sequencing, we examine mosaicism with single cell resolution. We uncover that JAK1 transcription is predominantly restricted to a single allele across different immune cells, introducing the concept of a mutational 'transcriptotype' that differs from the genotype. Functionally, the S703I mutation not only increased JAK1 kinase activity, but also resulted in transactivation of partnering JAKs, independently of its catalytic domain. Further, S703I JAK1 was not solely hypermorphic for cytokine signaling, but neomorphic as well, as it enabled downstream signaling cascades not canonically mediated by JAK1. Given these results, the patient was treated with tofacitinib, a JAK inhibitor, which led to rapid resolution of her clinical disease. Together, these findings represent an unprecedented degree of personalized medicine with the concurrent discovery of fundamental biological principles.

Microsatellites are highly mutable sequences that can serve as markers for relationships among individuals or cells within a population. The accuracy and resolution of reconstructing these relationships depends on the fidelity of microsatellite profiling and the number of microsatellites profiled. However, current methods for targeted profiling of microsatellites incur significant "stutter" artifacts that interfere with accurate genotyping, and sequencing costs preclude whole-genome microsatellite profiling of a large number of samples. We developed a novel method for accurate and cost-effective targeted profiling of a panel of > 150,000 microsatellites per sample, along with a computational tool for designing large-scale microsatellite panels. Our method addresses the greatest challenge for microsatellite profiling--"stutter" artifacts--with a low-temperature hybridization capture that significantly reduces these artifacts. We also developed a computational tool for accurate genotyping of the resulting microsatellite sequencing data that uses an ensemble approach integrating three microsatellite genotyping tools, which we optimize by analysis of de novo microsatellite mutations in human trios. Altogether, our suite of experimental and computational tools enables high-fidelity, large-scale profiling of microsatellites, which may find utility in diverse applications such as lineage tracing, population genetics, ecology, and forensics.

Abstract Mutations accumulate in the genome of every cell of the body throughout life, causing cancer and other genetic diseases 1-4 . Almost all of these mosaic mutations begin as nucleotide mismatches or damage in only one of the two strands of the DNA prior to becoming double-strand mutations if unrepaired or misrepaired 5 . However, current DNA sequencing technologies cannot resolve these initial single-strand events. Here, we developed a single-molecule, long-read sequencing method that achieves single-molecule fidelity for single-base substitutions when present in either one or both strands of the DNA. It also detects single-strand cytosine deamination events, a common type of DNA damage. We profiled 110 samples from diverse tissues, including from individuals with cancer-predisposition syndromes, and define the first single-strand mismatch and damage signatures. We find correspondences between these single-strand signatures and known double-strand mutational signatures, which resolves the identity of the initiating lesions. Tumors deficient in both mismatch repair and replicative polymerase proofreading show distinct single-strand mismatch patterns compared to samples deficient in only polymerase proofreading. In the mitochondrial genome, our findings support a mutagenic mechanism occurring primarily during replication. Since the double-strand DNA mutations interrogated by prior studies are only the endpoint of the mutation process, our approach to detect the initiating single-strand events at single-molecule resolution will enable new studies of how mutations arise in a variety of contexts, especially in cancer and aging.