Melanoma of the skin is a common cancer only in Europeans, whereas it arises in internal body surfaces (mucosal sites) and on the hands and feet (acral sites) in people throughout the world. Here we report analysis of whole-genome sequences from cutaneous, acral and mucosal subtypes of melanoma. The heavily mutated landscape of coding and non-coding mutations in cutaneous melanoma resolved novel signatures of mutagenesis attributable to ultraviolet radiation. However, acral and mucosal melanomas were dominated by structural changes and mutation signatures of unknown aetiology, not previously identified in melanoma. The number of genes affected by recurrent mutations disrupting non-coding sequences was similar to that affected by recurrent mutations to coding sequences. Significantly mutated genes included BRAF, CDKN2A, NRAS and TP53 in cutaneous melanoma, BRAF, NRAS and NF1 in acral melanoma and SF3B1 in mucosal melanoma. Mutations affecting the TERT promoter were the most frequent of all; however, neither they nor ATRX mutations, which correlate with alternative telomere lengthening, were associated with greater telomere length. Most melanomas had potentially actionable mutations, most in components of the mitogen-activated protein kinase and phosphoinositol kinase pathways. The whole-genome mutation landscape of melanoma reveals diverse carcinogenic processes across its subtypes, some unrelated to sun exposure, and extends potential involvement of the non-coding genome in its pathogenesis. The first large, high-coverage whole-genome sequencing study of melanomas from cutaneous, acral and mucosal sites. Melanoma is a highly metastatic cancer with a high mutation load, and signatures in some subtypes are often associated with exposure to ultraviolet radiation. Graham Mann and colleagues report whole-genome sequencing of tumour samples from patients with melanoma, including 75 primary melanomas, 93 melanoma metastases and 15 cell lines derived from melanoma metastases. The authors compare the genomic landscapes of cutaneous, acral and mucosal subtypes of melanoma, identifying distinct mutational signatures by subtype. Cutaneous melanomas showed mutational signatures of ultraviolet radiation exposure, whereas acral and mucosal melanomas showed a lower mutation burden and more frequent complex structural rearrangements in comparison to other melanoma subtypes. Understanding the whole-genome landscapes of all melanoma subtypes is important for investigating melanoma prevention and targeted treatment.

The diagnosis of pancreatic neuroendocrine tumours (PanNETs) is increasing owing to more sensitive detection methods, and this increase is creating challenges for clinical management. We performed whole-genome sequencing of 102 primary PanNETs and defined the genomic events that characterize their pathogenesis. Here we describe the mutational signatures they harbour, including a deficiency in G:C > T:A base excision repair due to inactivation of MUTYH, which encodes a DNA glycosylase. Clinically sporadic PanNETs contain a larger-than-expected proportion of germline mutations, including previously unreported mutations in the DNA repair genes MUTYH, CHEK2 and BRCA2. Together with mutations in MEN1 and VHL, these mutations occur in 17% of patients. Somatic mutations, including point mutations and gene fusions, were commonly found in genes involved in four main pathways: chromatin remodelling, DNA damage repair, activation of mTOR signalling (including previously undescribed EWSR1 gene fusions), and telomere maintenance. In addition, our gene expression analyses identified a subgroup of tumours associated with hypoxia and HIF signalling. The genomes of 102 primary pancreatic neuroendocrine tumours have been sequenced, revealing mutations in genes with functions such as chromatin remodelling, DNA damage repair, mTOR activation and telomere maintenance, and a greater-than-expected contribution from germ line mutations. Pancreatic neuroendocrine tumours (PanNETs) are the second most common epithelial neoplasm of the pancreas. Aldo Scarpa, Sean Grimmond and colleagues report whole-genome sequencing of 102 primary PanNETs and present analysis of their mutational signatures as part of the International Cancer Genome Consortium. They find frequent mutations in genes with functions that include chromatin remodelling, DNA damage repair, activation of mTOR signalling, and telomere maintenance. They also identify mutational signatures, including one resulting from inactivation of the DNA repair gene MUTYH, and report a larger than expected germline contribution to PanNET development.

Stig Bojesen, Georgia Chenevix-Trench, Alison Dunning and colleagues report common variants at the TERT-CLPTM1L locus associated with mean telomere length measured in whole blood. They also identify associations at this locus to breast or ovarian cancer susceptibility and report functional studies in breast and ovarian cancer tissue and cell lines. TERT-locus SNPs and leukocyte telomere measures are reportedly associated with risks of multiple cancers. Using the Illumina custom genotyping array iCOGs, we analyzed ∼480 SNPs at the TERT locus in breast (n = 103,991), ovarian (n = 39,774) and BRCA1 mutation carrier (n = 11,705) cancer cases and controls. Leukocyte telomere measurements were also available for 53,724 participants. Most associations cluster into three independent peaks. The minor allele at the peak 1 SNP rs2736108 associates with longer telomeres (P = 5.8 × 10−7), lower risks for estrogen receptor (ER)-negative (P = 1.0 × 10−8) and BRCA1 mutation carrier (P = 1.1 × 10−5) breast cancers and altered promoter assay signal. The minor allele at the peak 2 SNP rs7705526 associates with longer telomeres (P = 2.3 × 10−14), higher risk of low-malignant-potential ovarian cancer (P = 1.3 × 10−15) and greater promoter activity. The minor alleles at the peak 3 SNPs rs10069690 and rs2242652 increase ER-negative (P = 1.2 × 10−12) and BRCA1 mutation carrier (P = 1.6 × 10−14) breast and invasive ovarian (P = 1.3 × 10−11) cancer risks but not via altered telomere length. The cancer risk alleles of rs2242652 and rs10069690, respectively, increase silencing and generate a truncated TERT splice variant.

Abstract FANCM is a DNA repair protein that recognizes stalled replication forks, and recruits downstream repair factors. FANCM activity is also essential for the survival of cancer cells that utilize the Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) mechanism. FANCM efficiently recognizes stalled replication forks in the genome or at telomeres through its strong affinity for branched DNA structures. In this study, we demonstrate that the N-terminal translocase domain drives this specific branched DNA recognition. The Hel2i subdomain within the translocase is crucial for effective substrate engagement and couples DNA binding to catalytic ATP-dependent branch migration. Removal of Hel2i or mutation of key DNA-binding residues within this domain diminished FANCM’s affinity for junction DNA and abolished branch migration activity. Importantly, these mutant FANCM variants failed to rescue the cell cycle arrest, telomere-associated replication stress, or lethality of ALT-positive cancer cells depleted of endogenous FANCM. Our results reveal the Hel2i domain is key for FANCM to properly engage DNA substrates, and therefore plays an essential role in its tumour-suppressive functions by restraining the hyperactivation of the ALT pathway.

Summary Replication stress is an endemic threat to genome stability. For reasons unknown, replication stress response factors become essential during peri-implantation development. This coincides with a stem cell potency switch from the naïve to the primed state. Using genetically matched, chimera-derived mouse naïve embryonic (mESC) and primed epiblast stem cells (mEpiSC) we found that replication stress management differs between potency states. Primed mEpiSCs rely on Atr activity to prevent replication catastrophe, minimize genomic damage, avoid apoptosis, and re-enter the cell cycle. Conversely, under replications stress, mESCs readily activate Atm regardless of Atr activity, undergo replication catastrophe, and induce apoptosis. Primed pluripotent cells therefore engage Atr to counteract replication difficulties and maintain viability, whereas cells in the naïve state are more readily cleared under the same conditions. We anticipate these divergent strategies enable pluripotent cells of different potency states to meet associated proliferative or developmental demands during early development.

Abstract The Eyes Absent family of proteins (EYA1-4) are a biochemically unique group of tyrosine phosphatases known to be tumour promoting across a range of cancer types. To date, the molecular targets of EYA phosphatase activity remain largely uncharacterised. Here, we identify Polo-like kinase 1 (PLK1) as a direct interactor and phosphatase substrate of both EYA4 and EYA1, with pY445 on PLK1 being the primary target site. EYA-mediated dephosphorylation of PLK1 in the G2 phase of the cell cycle is required for centrosome maturation, PLK1 localization to centrosomes, and polo-box domain (PBD) dependent interactions between PLK1 and the PLK1-activating proteins BORA and CEP192. Molecular dynamics simulations support the rationale that pY445 confers a structural impairment to PBD-substrate interactions that is relieved by EYA-mediated dephosphorylation. Depletion of EYA4 or EYA1, or chemical inhibition of EYA phosphatase activity, dramatically reduces PLK1 activation, causing mitotic defects and cell death. Overall, we have characterized a novel phosphotyrosine signalling network governing PLK1 and mitosis. This work provides a mechanism of cell killing for EYA phosphatase inhibitors with important therapeutic implications.

Abstract Cellular senescence is characterised by a state of permanent cell cycle arrest. It is accompanied by often variable release of the so-called senescence-associated secretory phenotype (SASP) factors, and occurs in response to a variety of triggers such as persistent DNA damage, telomere dysfunction, or oncogene activation. While cellular senescence is a recognised driver of organismal ageing, the extent of heterogeneity within and between different senescent cell populations remains largely unclear. Elucidating the drivers and extent of variability in cellular senescence states is important for discovering novel targeted seno-therapeutics and for overcoming cell expansion constraints in the cell therapy industry. Here we combine cell biological and single cell RNA-sequencing approaches to investigate heterogeneity of replicative senescence in human ESC-derived mesenchymal stem cells (esMSCs) as MSCs are the cell type of choice for the majority of current stem cell therapies and senescence of MSC is a recognized driver of organismal ageing. Our data identify three senescent subpopulations in the senescing esMSC population that differ in SASP, oncogene expression, and escape from senescence. Uncovering and defining this heterogeneity of senescence states in cultured human esMSCs allowed us to identify potential drug targets that may delay the emergence of senescent MSCs in vitro and perhaps in vivo in the future.

Population health research is increasingly focused on the genetic determinants of healthy ageing, but there is no public resource of whole genome sequences and phenotype data from healthy elderly individuals. Here we describe the Medical Genome Reference Bank (MGRB), comprising whole genome sequence and phenotype of 2,570 elderly Australians depleted for cancer, cardiovascular disease, and dementia. We analysed the MGRB for single-nucleotide, indel and structural variation in the nuclear and mitochondrial genomes. Individuals in the MGRB had fewer disease-associated common and rare germline variants, relative to both cancer cases and the gnomAD and UK BioBank cohorts, consistent with risk depletion. Pervasive age-related somatic changes were correlated with grip strength in men, suggesting blood-derived whole genomes may also provide a biologic measure of age-related functional deterioration. The MGRB provides a broadly applicable reference cohort for clinical genetics and genomic association studies, and for understanding the genetics of healthy ageing. This research has been conducted using the UK Biobank Resource under Application Number 17984.