A high-quality sequence assembly of the zebrafish genome reveals the largest gene set of any vertebrate and provides information on key genomic features, and comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human protein-coding genes have at least one clear zebrafish orthologue. The genome of the zebrafish — a key model organism for the study of development and human disease — has now been sequenced and published as a well-annotated reference genome. Zebrafish turns out to have the largest gene set of any vertebrate so far sequenced, and few pseudogenes. Importantly for disease studies, comparison between human and zebrafish sequences reveals that 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. A second paper reports on an ongoing effort to identify and phenotype disruptive mutations in every zebrafish protein-coding gene. Using the reference genome sequence along with high-throughput sequencing and efficient chemical mutagenesis, the project's initial results — covering 38% of all known protein-coding genes — they describe phenotypic consequences of more than 1,000 alleles. The long-term goal is the creation of a knockout allele in every protein-coding gene in the zebrafish genome. All mutant alleles and data are freely available at go.nature.com/en6mos . Zebrafish have become a popular organism for the study of vertebrate gene function1,2. The virtually transparent embryos of this species, and the ability to accelerate genetic studies by gene knockdown or overexpression, have led to the widespread use of zebrafish in the detailed investigation of vertebrate gene function and increasingly, the study of human genetic disease3,4,5. However, for effective modelling of human genetic disease it is important to understand the extent to which zebrafish genes and gene structures are related to orthologous human genes. To examine this, we generated a high-quality sequence assembly of the zebrafish genome, made up of an overlapping set of completely sequenced large-insert clones that were ordered and oriented using a high-resolution high-density meiotic map. Detailed automatic and manual annotation provides evidence of more than 26,000 protein-coding genes6, the largest gene set of any vertebrate so far sequenced. Comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. In addition, the high quality of this genome assembly provides a clearer understanding of key genomic features such as a unique repeat content, a scarcity of pseudogenes, an enrichment of zebrafish-specific genes on chromosome 4 and chromosomal regions that influence sex determination.

Cancer is driven by somatically acquired point mutations and chromosomal rearrangements, conventionally thought to accumulate gradually over time. Using next-generation sequencing, we characterize a phenomenon, which we term chromothripsis, whereby tens to hundreds of genomic rearrangements occur in a one-off cellular crisis. Rearrangements involving one or a few chromosomes crisscross back and forth across involved regions, generating frequent oscillations between two copy number states. These genomic hallmarks are highly improbable if rearrangements accumulate over time and instead imply that nearly all occur during a single cellular catastrophe. The stamp of chromothripsis can be seen in at least 2%–3% of all cancers, across many subtypes, and is present in ∼25% of bone cancers. We find that one, or indeed more than one, cancer-causing lesion can emerge out of the genomic crisis. This phenomenon has important implications for the origins of genomic remodeling and temporal emergence of cancer.PaperClip/cms/asset/11160b8f-e385-4dd3-bf95-502960456925/mmc8.mp3Loading ...(mp3, 2.86 MB) Download audio

Structural variation of the genome involves kilobase- to megabase-sized deletions, duplications, insertions, inversions, and complex combinations of rearrangements. We introduce high-throughput and massive paired-end mapping (PEM), a large-scale genome-sequencing method to identify structural variants (SVs) approximately 3 kilobases (kb) or larger that combines the rescue and capture of paired ends of 3-kb fragments, massive 454 sequencing, and a computational approach to map DNA reads onto a reference genome. PEM was used to map SVs in an African and in a putatively European individual and identified shared and divergent SVs relative to the reference genome. Overall, we fine-mapped more than 1000 SVs and documented that the number of SVs among humans is much larger than initially hypothesized; many of the SVs potentially affect gene function. The breakpoint junction sequences of more than 200 SVs were determined with a novel pooling strategy and computational analysis. Our analysis provided insights into the mechanisms of SV formation in humans.

The cancer genome is moulded by the dual processes of somatic mutation and selection. Homozygous deletions in cancer genomes occur over recessive cancer genes, where they can confer selective growth advantage, and over fragile sites, where they are thought to reflect an increased local rate of DNA breakage. However, most homozygous deletions in cancer genomes are unexplained. Here we identified 2,428 somatic homozygous deletions in 746 cancer cell lines. These overlie 11% of protein-coding genes that, therefore, are not mandatory for survival of human cells. We derived structural signatures that distinguish between homozygous deletions over recessive cancer genes and fragile sites. Application to clusters of unexplained homozygous deletions suggests that many are in regions of inherent fragility, whereas a small subset overlies recessive cancer genes. The results illustrate how structural signatures can be used to distinguish between the influences of mutation and selection in cancer genomes. The extensive copy number, genotyping, sequence and expression data available for this large series of publicly available cancer cell lines renders them informative reagents for future studies of cancer biology and drug discovery. Two Articles in this issue add major data sets to the growing picture of the cancer genome. Bignell et al. analysed a large number of homozygous gene deletions in a collection of 746 publicly available cancer cell lines. Combined with information about hemizygous deletions of the same genes, the data suggest that many deletions found in cancer reflect the position of a gene at a fragile site in the genome, rather than as a recessive cancer gene whose loss confers a selective growth advantage. Beroukhim et al. present the largest data set to date on somatic copy-number variations across more than 3,000 specimens of human primary cancers. Many alterations are shared between multiple tumour types. Functional experiments demonstrate an oncogenic role for the apoptosis genes MCL1 and BCL2L1 that are associated with amplifications found in many cancers. Homozygous gene deletions in cancer cells occur over recessive cancer genes (where they can confer selective growth advantage) or over genes at fragile sites of the genome (where they are thought to reflect increased DNA breakage). Here, a large number of homozygous deletions in a collection of cancer cell lines are identified and analysed to derive structural signatures for the two different types of deletion. More deletions are found in inherently fragile regions, and fewer overlying recessive genes.

The increasing prevalence of diabetes has resulted in a global epidemic1. Diabetes is a major cause of blindness, kidney failure, heart attacks, stroke and amputation of lower limbs. These are often caused by changes in blood vessels, such as the expansion of the basement membrane and a loss of vascular cells2–4. Diabetes also impairs the functions of endothelial cells5 and disturbs the communication between endothelial cells and pericytes6. How dysfunction of endothelial cells and/or pericytes leads to diabetic vasculopathy remains largely unknown. Here we report the development of self-organizing three-dimensional human blood vessel organoids from pluripotent stem cells. These human blood vessel organoids contain endothelial cells and pericytes that self-assemble into capillary networks that are enveloped by a basement membrane. Human blood vessel organoids transplanted into mice form a stable, perfused vascular tree, including arteries, arterioles and venules. Exposure of blood vessel organoids to hyperglycaemia and inflammatory cytokines in vitro induces thickening of the vascular basement membrane. Human blood vessels, exposed in vivo to a diabetic milieu in mice, also mimic the microvascular changes found in patients with diabetes. DLL4 and NOTCH3 were identified as key drivers of diabetic vasculopathy in human blood vessels. Therefore, organoids derived from human stem cells faithfully recapitulate the structure and function of human blood vessels and are amenable systems for modelling and identifying the regulators of diabetic vasculopathy, a disease that affects hundreds of millions of patients worldwide. Organoids derived from human stem cells recapitulate the structure and functions of human blood vessels, and can be used to model and identify regulators of diabetic vasculopathy.

In search of vascular smooth muscle cell differentiation markers, we identified two genes encoding members of a new family of type II integral membrane proteins. Both are ubiquitously expressed, and tissue-specific alternative mRNA initiation and splicing generate at least two major isoforms of each protein, with the smaller isoforms being truncated at the N-terminus. We have named these proteins nesprin-1 and -2 for nuclear envelope spectrin repeat, as they are characterized by the presence of multiple, clustered spectrin repeats, bipartite nuclear localization sequences and a conserved C-terminal, single transmembrane domain. Transient transfection of EGFP-fusion expression constructs demonstrated their localization to the nuclear membrane with a novel C-terminal, TM-domain-containing sequence essential for perinuclear localization. Using antibodies to nesprin-1, we documented its colocalization with LAP1, emerin and lamins at the nuclear envelope, and immunogold labeling confirmed its presence at the nuclear envelope and in the nucleus where it colocalized with heterochromatin. Nesprin-1 is developmentally regulated in both smooth and skeletal muscle and is re-localized from the nuclear envelope to the nucleus and cytoplasm during C2C12 myoblast differentiation. These data and structural analogies with other proteins suggest that nesprins may function as ‘dystrophins of the nucleus’ to maintain nuclear organization and structural integrity.

The poor correlation of mutational landscapes with phenotypes limits our understanding of the pathogenesis and metastasis of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). Here we show that oncogenic dosage-variation has a critical role in PDAC biology and phenotypic diversification. We find an increase in gene dosage of mutant KRAS in human PDAC precursors, which drives both early tumorigenesis and metastasis and thus rationalizes early PDAC dissemination. To overcome the limitations posed to gene dosage studies by the stromal richness of PDAC, we have developed large cell culture resources of metastatic mouse PDAC. Integration of cell culture genomes, transcriptomes and tumour phenotypes with functional studies and human data reveals additional widespread effects of oncogenic dosage variation on cell morphology and plasticity, histopathology and clinical outcome, with the highest KrasMUT levels underlying aggressive undifferentiated phenotypes. We also identify alternative oncogenic gains (Myc, Yap1 or Nfkb2), which collaborate with heterozygous KrasMUT in driving tumorigenesis, but have lower metastatic potential. Mechanistically, different oncogenic gains and dosages evolve along distinct evolutionary routes, licensed by defined allelic states and/or combinations of hallmark tumour suppressor alterations (Cdkn2a, Trp53, Tgfβ-pathway). Thus, evolutionary constraints and contingencies direct oncogenic dosage gain and variation along defined routes to drive the early progression of PDAC and shape its downstream biology. Our study uncovers universal principles of Ras-driven oncogenesis that have potential relevance beyond pancreatic cancer. Oncogenic dosage variation along distinct evolutionary routes defines fundamental aspects of pancreatic cancer biology and phenotypic diversification. Despite the availability of hundreds of pancreatic cancer genomes, it has been difficult to associate specific mutation patterns with distinct biological features. To address this, Roland Rad and colleagues tracked genomic alterations during the development of pancreatic cancer, aiming to link mutations to heterogeneous phenotypes. Human and mouse studies reveal that different gene dosages of an activating KRAS mutation are critical determinants of pancreatic cancer biology, including early progression, metastasis, histopathology, cellular plasticity and clinical aggressiveness. Mutant KRAS is amplified through distinct evolutionary routes during tumorigenesis that are defined by prior alterations of specific tumour suppressors and oncogenes. This study sheds light on the mechanisms underlying the phenotypic heterogeneity of pancreatic cancer and may aid advances in diagnosis, prognosis and therapy.

BRCA1 deficiencies cause breast, ovarian, prostate and other cancers, and render tumours hypersensitive to poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. To understand the resistance mechanisms, we conducted whole-genome CRISPR–Cas9 synthetic-viability/resistance screens in BRCA1-deficient breast cancer cells treated with PARP inhibitors. We identified two previously uncharacterized proteins, C20orf196 and FAM35A, whose inactivation confers strong PARP-inhibitor resistance. Mechanistically, we show that C20orf196 and FAM35A form a complex, ‘Shieldin’ (SHLD1/2), with FAM35A interacting with single-stranded DNA through its C-terminal oligonucleotide/oligosaccharide-binding fold region. We establish that Shieldin acts as the downstream effector of 53BP1/RIF1/MAD2L2 to promote DNA double-strand break (DSB) end-joining by restricting DSB resection and to counteract homologous recombination by antagonizing BRCA2/RAD51 loading in BRCA1-deficient cells. Notably, Shieldin inactivation further sensitizes BRCA1-deficient cells to cisplatin, suggesting how defining the SHLD1/2 status of BRCA1-deficient tumours might aid patient stratification and yield new treatment opportunities. Highlighting this potential, we document reduced SHLD1/2 expression in human breast cancers displaying intrinsic or acquired PARP-inhibitor resistance. Through CRISPR–Cas9 screen, Dev et al. identified that SHLD1/2 inhibition contributes to PARP-inhibitor resistance. Mechanistically, SHLDs promote non-homologous end-joining and antagonize homologous recombination.