The full complement of DNA mutations that are responsible for the pathogenesis of acute myeloid leukemia (AML) is not yet known.

The sequencing of AML genomes of eight patients before and after relapse reveals two major patterns of clonal evolution, with chemotherapy appearing to have a role in both patterns. Many patients with acute myeloid leukaemia (AML) achieve remission, but it is often short-lived and the returned disease is usually refractory to therapy. Genome sequencing of eight patients with AML before and after relapse reveals two major patterns of tumour cell evolution. The founding clone survives chemotherapy in all patients, and, in one clonal pattern, it acquires new mutations and expands at relapse. In the other, a subclone surviving from the original tumour expands and then acquires new mutations. Comparisons of relapse-specific and primary tumour mutations point to an increase in transversions, implying DNA damage caused by cytotoxic chemotherapy. This work demonstrates that the AML genome in an individual patient presents a moving target, and highlights the importance of striving to eradicate both the founding clone and all of its subclones. Most patients with acute myeloid leukaemia (AML) die from progressive disease after relapse, which is associated with clonal evolution at the cytogenetic level1,2 . To determine the mutational spectrum associated with relapse, we sequenced the primary tumour and relapse genomes from eight AML patients, and validated hundreds of somatic mutations using deep sequencing; this allowed us to define clonality and clonal evolution patterns precisely at relapse. In addition to discovering novel, recurrently mutated genes (for example, WAC, SMC3, DIS3, DDX41 and DAXX) in AML, we also found two major clonal evolution patterns during AML relapse: (1) the founding clone in the primary tumour gained mutations and evolved into the relapse clone, or (2) a subclone of the founding clone survived initial therapy, gained additional mutations and expanded at relapse. In all cases, chemotherapy failed to eradicate the founding clone. The comparison of relapse-specific versus primary tumour mutations in all eight cases revealed an increase in transversions, probably due to DNA damage caused by cytotoxic chemotherapy. These data demonstrate that AML relapse is associated with the addition of new mutations and clonal evolution, which is shaped, in part, by the chemotherapy that the patients receive to establish and maintain remissions.

The genetic alterations responsible for an adverse outcome in most patients with acute myeloid leukemia (AML) are unknown.

Most mutations in cancer genomes are thought to be acquired after the initiating event, which may cause genomic instability and drive clonal evolution. However, for acute myeloid leukemia (AML), normal karyotypes are common, and genomic instability is unusual. To better understand clonal evolution in AML, we sequenced the genomes of M3-AML samples with a known initiating event (PML-RARA) versus the genomes of normal karyotype M1-AML samples and the exomes of hematopoietic stem/progenitor cells (HSPCs) from healthy people. Collectively, the data suggest that most of the mutations found in AML genomes are actually random events that occurred in HSPCs before they acquired the initiating mutation; the mutational history of that cell is "captured" as the clone expands. In many cases, only one or two additional, cooperating mutations are needed to generate the malignant founding clone. Cells from the founding clone can acquire additional cooperating mutations, yielding subclones that can contribute to disease progression and/or relapse.

This software package provides genome-wide detection of structural variants (insertions, deletions, inversions and inter- and intrachromosomal translocations) from 50-base-pair paired-end reads. The sizes of the detected variants vary from 10 base pairs to 1 megabase pair. Detection and characterization of genomic structural variation are important for understanding the landscape of genetic variation in human populations and in complex diseases such as cancer. Recent studies demonstrate the feasibility of detecting structural variation using next-generation, short-insert, paired-end sequencing reads. However, the utility of these reads is not entirely clear, nor are the analysis methods with which accurate detection can be achieved. The algorithm BreakDancer predicts a wide variety of structural variants including insertion-deletions (indels), inversions and translocations. We examined BreakDancer's performance in simulation, in comparison with other methods and in analyses of a sample from an individual with acute myeloid leukemia and of samples from the 1,000 Genomes trio individuals. BreakDancer sensitively and accurately detected indels ranging from 10 base pairs to 1 megabase pair that are difficult to detect via a single conventional approach.

Acute myeloid leukaemia is a highly malignant haematopoietic tumour that affects about 13,000 adults in the United States each year. The treatment of this disease has changed little in the past two decades, because most of the genetic events that initiate the disease remain undiscovered. Whole-genome sequencing is now possible at a reasonable cost and timeframe to use this approach for the unbiased discovery of tumour-specific somatic mutations that alter the protein-coding genes. Here we present the results obtained from sequencing a typical acute myeloid leukaemia genome, and its matched normal counterpart obtained from the same patient's skin. We discovered ten genes with acquired mutations; two were previously described mutations that are thought to contribute to tumour progression, and eight were new mutations present in virtually all tumour cells at presentation and relapse, the function of which is not yet known. Our study establishes whole-genome sequencing as an unbiased method for discovering cancer-initiating mutations in previously unidentified genes that may respond to targeted therapies.

Massively parallel DNA sequencing technologies provide an unprecedented ability to screen entire genomes for genetic changes associated with tumour progression. Here we describe the genomic analyses of four DNA samples from an African-American patient with basal-like breast cancer: peripheral blood, the primary tumour, a brain metastasis and a xenograft derived from the primary tumour. The metastasis contained two de novo mutations and a large deletion not present in the primary tumour, and was significantly enriched for 20 shared mutations. The xenograft retained all primary tumour mutations and displayed a mutation enrichment pattern that resembled the metastasis. Two overlapping large deletions, encompassing CTNNA1, were present in all three tumour samples. The differential mutation frequencies and structural variation patterns in metastasis and xenograft compared with the primary tumour indicate that secondary tumours may arise from a minority of cells within the primary tumour. With the latest DNA sequencing technologies it is now possible to screen an entire genome for the genetic changes associated with tumour progression. This approach has been used to obtain complete sequences of four DNA samples from a 44-year-old African-American patient with basal-like breast cancer: the primary tumour, peripheral blood, a brain metastasis and a first-passage xenograft derived from the primary tumour. Mutational analysis suggests that the metastasis tumour specifically selects a subset of cells from the primary tumour that contain pre-existing mutations, and also develops a small number of de novo mutations. Massively parallel DNA sequencing allows entire genomes to be screened for genetic changes associated with tumour progression. Here, the genomes of four DNA samples from a 44-year-old African-American patient with basal-like breast cancer were analysed. The samples came from peripheral blood, the primary tumour, a brain metastasis and a xenograft derived from the primary tumour. The findings indicate that cells with a distinct subset of the primary tumour mutation might be selected during metastasis and xenografting.

The human genome contains numerous blocks of highly homologous duplicated sequence. This higher-order architecture provides a substrate for recombination and recurrent chromosomal rearrangement associated with genomic disease. However, an assessment of the role of segmental duplications in normal variation has not yet been made. On the basis of the duplication architecture of the human genome, we defined a set of 130 potential rearrangement hotspots and constructed a targeted bacterial artificial chromosome (BAC) microarray (with 2,194 BACs) to assess copy-number variation in these regions by array comparative genomic hybridization. Using our segmental duplication BAC microarray, we screened a panel of 47 normal individuals, who represented populations from four continents, and we identified 119 regions of copy-number polymorphism (CNP), 73 of which were previously unreported. We observed an equal frequency of duplications and deletions, as well as a 4-fold enrichment of CNPs within hotspot regions, compared with control BACs (P < .000001), which suggests that segmental duplications are a major catalyst of large-scale variation in the human genome. Importantly, segmental duplications themselves were also significantly enriched >4-fold within regions of CNP. Almost without exception, CNPs were not confined to a single population, suggesting that these either are recurrent events, having occurred independently in multiple founders, or were present in early human populations. Our study demonstrates that segmental duplications define hotspots of chromosomal rearrangement, likely acting as mediators of normal variation as well as genomic disease, and it suggests that the consideration of genomic architecture can significantly improve the ascertainment of large-scale rearrangements. Our specialized segmental duplication BAC microarray and associated database of structural polymorphisms will provide an important resource for the future characterization of human genomic disorders.

The human reference genome assembly plays a central role in nearly all aspects of today's basic and clinical research. GRCh38 is the first coordinate-changing assembly update since 2009; it reflects the resolution of roughly 1000 issues and encompasses modifications ranging from thousands of single base changes to megabase-scale path reorganizations, gap closures, and localization of previously orphaned sequences. We developed a new approach to sequence generation for targeted base updates and used data from new genome mapping technologies and single haplotype resources to identify and resolve larger assembly issues. For the first time, the reference assembly contains sequence-based representations for the centromeres. We also expanded the number of alternate loci to create a reference that provides a more robust representation of human population variation. We demonstrate that the updates render the reference an improved annotation substrate, alter read alignments in unchanged regions, and impact variant interpretation at clinically relevant loci. We additionally evaluated a collection of new de novo long-read haploid assemblies and conclude that although the new assemblies compare favorably to the reference with respect to continuity, error rate, and gene completeness, the reference still provides the best representation for complex genomic regions and coding sequences. We assert that the collected updates in GRCh38 make the newer assembly a more robust substrate for comprehensive analyses that will promote our understanding of human biology and advance our efforts to improve health.

With the sequencing of the male-specific region of the chimpanzee Y chromosome, it is now possible to make comparisons with the human Y sequence and to learn more about the recent evolution of the human Y chromosome. The two sequences differ markedly in structure and gene content, indicating rapid evolution during the past 6 million years. This finding is at odds with the common view that Y chromosomes are essentially static structures that evolve only very slowly by genetic loss. Rather, renovation and remodelling dominate the evolution of human and chimpanzee Y chromosomes. Possible reasons for this extraordinary divergence include genetic hitchhiking effects, species-specific mating behaviours and the Y chromosome's role in sperm production. Little is known about the recent evolution of the Y chromosome because only the human Y chromosome has been fully sequenced. The sequencing of the male-specific region of the Y chromosome (MSY) in the chimpanzee and comparison between the MSYs of the two species now reveals that they differ radically in sequence structure and gene content, indicating rapid evolution over the past 6 million years. The human Y chromosome began to evolve from an autosome hundreds of millions of years ago, acquiring a sex-determining function and undergoing a series of inversions that suppressed crossing over with the X chromosome1,2. Little is known about the recent evolution of the Y chromosome because only the human Y chromosome has been fully sequenced. Prevailing theories hold that Y chromosomes evolve by gene loss, the pace of which slows over time, eventually leading to a paucity of genes, and stasis3,4. These theories have been buttressed by partial sequence data from newly emergent plant and animal Y chromosomes5,6,7,8, but they have not been tested in older, highly evolved Y chromosomes such as that of humans. Here we finished sequencing of the male-specific region of the Y chromosome (MSY) in our closest living relative, the chimpanzee, achieving levels of accuracy and completion previously reached for the human MSY. By comparing the MSYs of the two species we show that they differ radically in sequence structure and gene content, indicating rapid evolution during the past 6 million years. The chimpanzee MSY contains twice as many massive palindromes as the human MSY, yet it has lost large fractions of the MSY protein-coding genes and gene families present in the last common ancestor. We suggest that the extraordinary divergence of the chimpanzee and human MSYs was driven by four synergistic factors: the prominent role of the MSY in sperm production, ‘genetic hitchhiking’ effects in the absence of meiotic crossing over, frequent ectopic recombination within the MSY, and species differences in mating behaviour. Although genetic decay may be the principal dynamic in the evolution of newly emergent Y chromosomes, wholesale renovation is the paramount theme in the continuing evolution of chimpanzee, human and perhaps other older MSYs.