ABSTRACT Mutation accumulation over time in normal somatic cells contributes to cancer development and is proposed as a cause of ageing. DNA polymerases Pol ε and Pol δ replicate DNA with high fidelity during normal cell divisions. However, in some cancers defective proofreading due to acquired mutations in the exonuclease domains of POLE or POLD1 causes markedly elevated somatic mutation burdens with distinctive mutational signatures. POLE and POLD1 exonuclease domain mutations also cause familial cancer predisposition when inherited through the germline. Here, we sequenced normal tissue DNA from individuals with germline POLE or POLD1 exonuclease domain mutations. Increased mutation burdens with characteristic mutational signatures were found to varying extents in all normal adult somatic cell types examined, during early embryogenesis and in sperm. Mutation burdens were further markedly elevated in neoplasms from these individuals. Thus human physiology is able to tolerate ubiquitously elevated mutation burdens. Indeed, with the exception of early onset cancer, individuals with germline POLE and POLD1 exonuclease domain mutations are not reported to show abnormal phenotypic features, including those of premature ageing. The results, therefore, do not support a simple model in which all features of ageing are attributable to widespread cell malfunction directly resulting from somatic mutation burdens accrued during life.

Abstract Mismatch repair (MMR) is a critical defence against mutation, but we lack quantification of its activity on different DNA lesions during human life. We performed whole-genome sequencing of normal and neoplastic tissues from individuals with constitutional MMR deficiency to establish the roles of MMR components, tissue type and disease state in somatic mutation rates. Mutational signatures varied extensively across genotypes, some coupled to leading-strand replication, some to lagging-strand replication and some independent of replication, implying that the various MMR components engage different forms of DNA damage. Loss of MSH2 or MSH6 (MutSα), but not MLH1 or PMS2 (MutLα), caused 5-methylcytosine-dependent hypermutation, indicating that MutSα is the pivotal complex for repairing spontaneous deamination of methylated cytosines in humans. Neoplastic change altered the distribution of mutational signatures, particularly accelerating replication-coupled indel signatures. Each component of MMR repairs 1-10 lesions/day per normal human cell, and many thousands of additional events during neoplastic transformation. Highlights MMR repairs 1-10 lesions/day in every normal cell and thousands more in tumor cells MMR patterns and rates are shaped by genotype, tissue type and malignant transformation MSH2 and MSH6 are pivotal for repairing spontaneous deamination of methylated cytosine Replication indels and substitutions vary by leading versus lagging strand and genotype

Abstract To date, ontogeny of the human haematopoietic system during foetal development has been characterized mainly through careful microscopic observations. Here we used whole-genome sequencing (WGS) of 511 single-cell derived haematopoietic colonies from healthy human foetuses of 8 and 18 post-conception weeks (pcw) coupled with deep targeted sequencing of tissues of known embryonic origin to reconstruct a phylogenetic tree of blood development. We found that in healthy foetuses, individual haematopoietic progenitors acquire tens of somatic mutations by 18 pcw. Using these mutations as barcodes, we timed the divergence of embryonic and extra-embryonic tissues during development and estimated the number of blood antecedents at different stages of embryonic development. Our analysis has shown that ectoderm originates from a smaller set of blood antecedents compared to endoderm and mesoderm. Finally, our data support a hypoblast origin of the extra-embryonic mesoderm and primitive blood in humans.

ABSTRACT Cellular DNA damage caused by reactive oxygen species is repaired by the base excision repair (BER) pathway which includes the DNA glycosylase MUTYH. Inherited biallelic MUTYH mutations cause predisposition to colorectal adenomas and carcinoma. However, the mechanistic progression from germline MUTYH mutations to M UTYH- A ssociated P olyposis (MAP) is incompletely understood. Here, we sequenced normal tissue DNAs from 10 individuals with MAP. Somatic base substitution mutation rates in intestinal epithelial cells were elevated 2 to 5-fold in all individuals, except for one showing a 33-fold increase, and were also increased in other tissues. The increased mutation burdens were of multiple mutational signatures characterised by C>A changes. Different mutation rates and signatures between individuals were likely due to different MUTYH mutations or additional inherited mutations in other BER pathway genes. The elevated base substitution rate in normal cells likely accounts for the predisposition to neoplasia in MAP. Despite ubiquitously elevated mutation rates, individuals with MAP do not display overt evidence of premature ageing. Thus, accumulation of somatic mutations may not be sufficient to cause the global organismal functional decline of ageing. Summary

ABSTRACT Starting from the zygote, all cells in the developing and adult human body continuously acquire mutations. A mutation shared between two different cells implies a shared progenitor cell and can thus be used as a naturally occurring marker for lineage tracing. Here, we reconstruct extensive phylogenies of normal tissues from three adult individuals using whole-genome sequencing of 511 laser capture microdissected samples from multiple organs. Early embryonic progenitor cells inferred from the phylogenies often contribute in different proportions to the adult body and the extent of this asymmetry is variable between individuals, with ratios between the first two reconstructed cells ranging from 56:44 to 92:8. Asymmetries also pervade subsequent cell generations and can differ between tissues in the same individual. The phylogenies also resolve the spatial embryonic origins and patterning of tissues, revealing a spatial effect in the development of the human brain. Supplemented by data on eleven men, we timed the split between soma and germline, with the earliest observed segregation occurring at the first cell divisions. This research demonstrates that, despite reaching the same ultimate tissue patterns, early bottlenecks and lineage commitments lead to substantial variation in embryonic patterns both within and between individuals.

The colorectal adenoma-carcinoma sequence has provided a paradigmatic framework for understanding the successive somatic genetic changes and consequent clonal expansions leading to cancer. As for most cancer types, however, understanding of the earliest phases of colorectal neoplastic change, which may occur in morphologically normal tissue, is comparatively limited because of the difficulty of detecting somatic mutations in normal cells. Each colorectal crypt is a small clone of cells derived from a single recently-existing stem cell. Here, we whole genome sequenced hundreds of normal crypts from 42 individuals. Signatures of multiple mutational processes were revealed, some ubiquitous and continuous, others only found in some individuals, in some crypts or during some phases of the cell lineage from zygote to adult cell. Likely driver mutations were present in ~1% of normal colorectal crypts in middle-aged individuals, indicating that adenomas and carcinomas are rare outcomes of a pervasive process of neoplastic change across morphologically normal colorectal epithelium.

Inflammatory bowel disease (IBD) is a chronic inflammatory disease associated with increased risk of gastrointestinal cancers. Here, we whole-genome sequenced 447 colonic crypts from 46 IBD patients, and compared these to 412 crypts from 41 non-IBD controls. The average mutation rate of affected colonic epithelial cells is 2.4-fold that of healthy colon and this increase is mostly driven by acceleration of mutational processes ubiquitously observed in normal colon. In contrast to the normal colon, where clonal expansions outside the confines of the crypt are rare, we observed widespread millimeter-scale clonal expansions. We discovered non-synonymous mutations in ARID1A, FBXW7, PIGR and ZC3H12A, and genes in the interleukin 17 and Toll-like receptor pathways, under positive selection in IBD. These results suggest distinct selection mechanisms in the colitis-affected colon and that somatic mutations potentially play a causal role in IBD pathogenesis.