MicroRNAs (miRNAs) are small noncoding RNAs, about 21 nucleotides in length, that can regulate gene expression by base-pairing to partially complementary mRNAs. Regulation by miRNAs can play essential roles in embryonic development. We determined the temporal and spatial expression patterns of 115 conserved vertebrate miRNAs in zebrafish embryos by microarrays and by in situ hybridizations, using locked-nucleic acid–modified oligonucleotide probes. Most miRNAs were expressed in a highly tissue-specific manner during segmentation and later stages, but not early in development, which suggests that their role is not in tissue fate establishment but in differentiation or maintenance of tissue identity.

Paul de Bakker, Cisca Wijmenga and colleagues report on The Genome of the Netherlands Project, including whole-genome sequencing of 769 individuals of Dutch ancestry from 250 parent-offspring families and construction of a phased haplotype map. Their intermediate-coverage population sequencing data set provides a complementary resource to other publicly available data sets, including the 1000 Genomes Project. Whole-genome sequencing enables complete characterization of genetic variation, but geographic clustering of rare alleles demands many diverse populations be studied. Here we describe the Genome of the Netherlands (GoNL) Project, in which we sequenced the whole genomes of 250 Dutch parent-offspring families and constructed a haplotype map of 20.4 million single-nucleotide variants and 1.2 million insertions and deletions. The intermediate coverage (∼13×) and trio design enabled extensive characterization of structural variation, including midsize events (30–500 bp) previously poorly catalogued and de novo mutations. We demonstrate that the quality of the haplotypes boosts imputation accuracy in independent samples, especially for lower frequency alleles. Population genetic analyses demonstrate fine-scale structure across the country and support multiple ancient migrations, consistent with historical changes in sea level and flooding. The GoNL Project illustrates how single-population whole-genome sequencing can provide detailed characterization of genetic variation and may guide the design of future population studies.

Several vertebrate microRNAs (miRNAs) have been implicated in cellular processes such as muscle differentiation, synapse function, and insulin secretion. In addition, analysis of Dicer null mutants has shown that miRNAs play a role in tissue morphogenesis. Nonetheless, only a few loss-of-function phenotypes for individual miRNAs have been described to date. Here, we introduce a quick and versatile method to interfere with miRNA function during zebrafish embryonic development. Morpholino oligonucleotides targeting the mature miRNA or the miRNA precursor specifically and temporally knock down miRNAs. Morpholinos can block processing of the primary miRNA (pri-miRNA) or the pre-miRNA, and they can inhibit the activity of the mature miRNA. We used this strategy to knock down 13 miRNAs conserved between zebrafish and mammals. For most miRNAs, this does not result in visible defects, but knockdown of miR-375 causes defects in the morphology of the pancreatic islet. Although the islet is still intact at 24 hours postfertilization, in later stages the islet cells become scattered. This phenotype can be recapitulated by independent control morpholinos targeting other sequences in the miR-375 precursor, excluding off-target effects as cause of the phenotype. The aberrant formation of the endocrine pancreas, caused by miR-375 knockdown, is one of the first loss-of-function phenotypes for an individual miRNA in vertebrate development. The miRNA knockdown strategy presented here will be widely used to unravel miRNA function in zebrafish.

Shamil Sunyaev, Paul de Bakker and colleagues report an analysis of 11,020 de novo mutations from the whole-genome sequences of Dutch families sequenced as part of the Genome of the Netherlands project. They identify correlations related to paternal age and genic content and develop an empirical human mutation rate map. Mutations create variation in the population, fuel evolution and cause genetic diseases. Current knowledge about de novo mutations is incomplete and mostly indirect1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Here we analyze 11,020 de novo mutations from the whole genomes of 250 families. We show that de novo mutations in the offspring of older fathers are not only more numerous11,12,13 but also occur more frequently in early-replicating, genic regions. Functional regions exhibit higher mutation rates due to CpG dinucleotides and show signatures of transcription-coupled repair, whereas mutation clusters with a unique signature point to a new mutational mechanism. Mutation and recombination rates independently associate with nucleotide diversity, and regional variation in human-chimpanzee divergence is only partly explained by heterogeneity in mutation rate. Finally, we provide a genome-wide mutation rate map for medical and population genetics applications. Our results provide new insights and refine long-standing hypotheses about human mutagenesis.

MicroRNA (miRNA) encoding genes are abundant in vertebrate genomes but very few have been studied in any detail. Bioinformatic tools allow prediction of miRNA targets and this information coupled with knowledge of miRNA expression profiles facilitates formulation of hypotheses of miRNA function. Although the central nervous system (CNS) is a prominent site of miRNA expression, virtually nothing is known about the spatial and temporal expression profiles of miRNAs in the brain. To provide an overview of the breadth of miRNA expression in the CNS, we performed a comprehensive analysis of the neuroanatomical expression profiles of 38 abundant conserved miRNAs in developing and adult zebrafish brain.Our results show miRNAs have a wide variety of different expression profiles in neural cells, including: expression in neuronal precursors and stem cells (for example, miR-92b); expression associated with transition from proliferation to differentiation (for example, miR-124); constitutive expression in mature neurons (miR-124 again); expression in both proliferative cells and their differentiated progeny (for example, miR-9); regionally restricted expression (for example, miR-222 in telencephalon); and cell-type specific expression (for example, miR-218a in motor neurons).The data we present facilitate prediction of likely modes of miRNA function in the CNS and many miRNA expression profiles are consistent with the mutual exclusion mode of function in which there is spatial or temporal exclusion of miRNAs and their targets. However, some miRNAs, such as those with cell-type specific expression, are more likely to be co-expressed with their targets. Our data provide an important resource for future functional studies of miRNAs in the CNS.

Abstract Despite improvements in genomics technology, the detection of structural variants (SVs) from short-read sequencing still poses challenges, particularly for complex variation. Here we analyse the genomes of two patients with congenital abnormalities using the MinION nanopore sequencer and a novel computational pipeline—NanoSV. We demonstrate that nanopore long reads are superior to short reads with regard to detection of de novo chromothripsis rearrangements. The long reads also enable efficient phasing of genetic variations, which we leveraged to determine the parental origin of all de novo chromothripsis breakpoints and to resolve the structure of these complex rearrangements. Additionally, genome-wide surveillance of inherited SVs reveals novel variants, missed in short-read data sets, a large proportion of which are retrotransposon insertions. We provide a first exploration of patient genome sequencing with a nanopore sequencer and demonstrate the value of long-read sequencing in mapping and phasing of SVs for both clinical and research applications.

A variety of mutational mechanisms shape the dynamic architecture of human genomes and occasionally result in congenital defects and disease. Here, we used genome-wide long mate-pair sequencing to systematically screen for inherited and de novo structural variation in a trio including a child with severe congenital abnormalities. We identified 4321 inherited structural variants and 17 de novo rearrangements. We characterized the de novo structural changes to the base-pair level revealing a complex series of balanced inter- and intra-chromosomal rearrangements consisting of 12 breakpoints involving chromosomes 1, 4 and 10. Detailed inspection of breakpoint regions indicated that a series of simultaneous double-stranded DNA breaks caused local shattering of chromosomes. Fusion of the resulting chromosomal fragments involved non-homologous end joining, since junction points displayed limited or no homology and small insertions and deletions. The pattern of random joining of chromosomal fragments that we observe here strongly resembles the somatic rearrangement patterns—termed chromothripsis—that have recently been described in deranged cancer cells. We conclude that a similar mechanism may also drive the formation of de novo structural variation in the germline.

Aneuploidy is a hallmark of cancer and underlies genetic disorders characterized by severe developmental defects, yet the molecular mechanisms explaining its effects on cellular physiology remain elusive. Here we show, using a series of human cells with defined aneuploid karyotypes, that gain of a single chromosome increases genomic instability. Next-generation sequencing and SNP-array analysis reveal accumulation of chromosomal rearrangements in aneuploids, with break point junction patterns suggestive of replication defects. Trisomic and tetrasomic cells also show increased DNA damage and sensitivity to replication stress. Strikingly, we find that aneuploidy-induced genomic instability can be explained by the reduced expression of the replicative helicase MCM2-7. Accordingly, restoring near-wild-type levels of chromatin-bound MCM helicase partly rescues the genomic instability phenotypes. Thus, gain of chromosomes triggers replication stress, thereby promoting genomic instability and possibly contributing to tumorigenesis.