Age-related change in human haematopoiesis causes reduced regenerative capacity1, cytopenias2, immune dysfunction3 and increased risk of blood cancer4–6, but the reason for such abrupt functional decline after 70 years of age remains unclear. Here we sequenced 3,579 genomes from single cell-derived colonies of haematopoietic cells across 10 human subjects from 0 to 81 years of age. Haematopoietic stem cells or multipotent progenitors (HSC/MPPs) accumulated a mean of 17 mutations per year after birth and lost 30 base pairs per year of telomere length. Haematopoiesis in adults less than 65 years of age was massively polyclonal, with high clonal diversity and a stable population of 20,000–200,000 HSC/MPPs contributing evenly to blood production. By contrast, haematopoiesis in individuals aged over 75 showed profoundly decreased clonal diversity. In each of the older subjects, 30–60% of haematopoiesis was accounted for by 12–18 independent clones, each contributing 1–34% of blood production. Most clones had begun their expansion before the subject was 40 years old, but only 22% had known driver mutations. Genome-wide selection analysis estimated that between 1 in 34 and 1 in 12 non-synonymous mutations were drivers, accruing at constant rates throughout life, affecting more genes than identified in blood cancers. Loss of the Y chromosome conferred selective benefits in males. Simulations of haematopoiesis, with constant stem cell population size and constant acquisition of driver mutations conferring moderate fitness benefits, entirely explained the abrupt change in clonal structure in the elderly. Rapidly decreasing clonal diversity is a universal feature of haematopoiesis in aged humans, underpinned by pervasive positive selection acting on many more genes than currently identified. Haematopoiesis has high clonal diversity up to about 65 years of age, after which diversity drops precipitously owing to positive selection acting on a handful of clones that expand exponentially throughout adulthood.

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.

Summary Human cells acquire somatic mutations throughout life, some of which can drive clonal expansion. Such expansions are frequent in the haematopoietic system of healthy individuals and have been termed clonal haematopoiesis (CH). While CH predisposes to myeloid neoplasia and other diseases, we have limited understanding of how and when CH develops, what factors govern its behaviour, how it interacts with ageing and how these variables relate to malignant progression. Here, we track 697 CH clones from 385 individuals aged 55 or older over a median of 13 years. We find that 92.4% of clones expanded at a stable exponential rate over the study period, with different mutations driving substantially different growth rates, ranging from 5% ( DNMT3A , TP53 ) to over 50%/yr ( SRSF2- P95H). Growth rates of clones with the same mutation differed by approximately +/−5%/yr, proportionately impacting “slow” drivers more substantially. By combining our time-series data with phylogenetic analysis of 1,731 whole genome-sequenced haematopoietic colonies from 7 older individuals, we reveal distinct patterns of lifelong clonal behaviour. DNMT3A -mutant clones preferentially expanded early in life and displayed slower growth in old age, in the context of an increasingly competitive oligoclonal landscape. By contrast, splicing gene mutations only drove expansion later in life, while growth of TET2 -mutant clones showed minimal age-dependency. Finally, we show that mutations driving faster clonal growth carry a higher risk of malignant progression. Our findings characterise the lifelong natural history of CH and give fundamental insights into the interactions between somatic mutation, ageing and clonal selection.

Abstract Age-related change in human haematopoiesis causes reduced regenerative capacity 1 , cytopenias 2 , immune dysfunction 3 and increased risk of blood cancer. The cellular alterations that underpin the abruptness of this functional decline after the age of 70 years remain elusive. We sequenced 3579 genomes from single-cell-derived colonies of haematopoietic stem cell/multipotent progenitors (HSC/MPPs) across 10 haematologically normal subjects aged 0-81 years. HSC/MPPs accumulated 17 mutations/year after birth and lost 30bp/year of telomere length. Haematopoiesis in adults aged <65 was massively polyclonal, with high indices of clonal diversity and a stable population of 20,000–200,000 HSC/MPPs contributing evenly to blood production. In contrast, haematopoiesis in individuals aged >75 showed profoundly decreased clonal diversity. In each elderly subject, 30-60% of haematopoiesis was accounted for by 12-18 independent clones, each contributing 1-34% of blood production. Most clones had begun their expansion before age 40, but only 22% had known driver mutations. Genome-wide selection analysis estimated that 1/34 to 1/12 non-synonymous mutations were drivers, occurring at a constant rate throughout life, affecting a wider pool of genes than identified in blood cancers. Loss of Y chromosome conferred selective benefits on HSC/MPPs in males. Simulations from a simple model of haematopoiesis, with constant HSC population size and constant acquisition of driver mutations conferring moderate fitness benefits, entirely explained the abrupt change in clonal structure in the elderly. Rapidly decreasing clonal diversity is a universal feature of haematopoiesis in aged humans, underpinned by pervasive positive selection acting on many more genes than currently identified.

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 A lymphocyte suffers many threats to its genome, including programmed mutation during differentiation, antigen-driven proliferation and residency in diverse microenvironments. After developing protocols for single-cell lymphocyte expansions, we sequenced whole genomes from 717 normal naive and memory B and T lymphocytes and hematopoietic stem cells. Lymphocytes carried more point mutations and structural variation than stem cells, accruing at higher rates in T than B cells, attributable to both exogenous and endogenous mutational processes. Ultraviolet light exposure and other sporadic mutational processes generated hundreds to thousands of mutations in some memory lymphocytes. Memory B cells acquired, on average, 18 off-target mutations genome-wide for every one on-target IGV mutation during the germinal center reaction. Structural variation was 16-fold higher in lymphocytes than stem cells, with ~15% of deletions being attributable to off-target RAG activity. One Sentence Summary: The mutational landscape of normal lymphocytes chronicles the off-target effects of programmed genome engineering during immunological diversification and the consequences of differentiation, proliferation and residency in diverse microenvironments.

Abstract The relative influence of niche versus neutral processes in ecosystem dynamics is a fundamental question in community ecology, but the extent to which they structured early animal communities is unknown. The oldest known metazoan-dominated paleocommunities occur in Ediacaran age (~565 million years old) strata in Newfoundland, Canada and Charnwood Forest, UK. These comprise large and diverse in-situ populations of sessile organisms that are amenable to spatial point process analyses, enabling inference of the most likely underlying niche or neutral processes governing their community structure. We conducted comprehensive spatial mapping of seven of the largest Ediacaran paleocommunities using LiDAR, photogrammetry and a laser-line probe. We find neutral processes to dominate these paleocommunities with limited influence of niche processes. Our results differ from the niche-dominated dynamics of modern marine ecosystems, revealing that the dynamics of environmental interactions prompted very different ecosystem structuring for these early animal communities.

Abstract Summary Pacific Biosciences (PacBio) circular consensus sequencing (CCS) aka high fidelity (HiFi) technology has revolutionized modern genomics by producing long (10+kb) and highly accurate reads by sequencing circularized DNA molecules multiple times and combining them into a consensus sequence. Currently the accuracy and quality value estimation is more than sufficient for genome assembly and germline variant calling, but the estimated quality scores are not accurate enough for confident somatic variant calling on single reads. Here we introduce TopoQual, a tool utilizing partial order alignments (POA), topologically parallel bases, and deep learning to polish consensus sequences and more accurately predict base qualities. We correct ~31.9% of errors in PacBio consensus sequences and validate base qualities up to q59 which is one error in 0.9 million bases enabling accurate somatic variant calling with HiFi data. Availability and implementation The source code and installation instructions as well as validation dataset used are freely available at https://github.com/lorewar2/TopoQual

Pseudoplanktonic crinoid megaraft colonies are an enigma of the Jurassic. They are among the largest in-situ invertebrate accumulations ever to exist in the Phanerozoic fossil record. These megaraft colonies and are thought to have developed as floating filter-feeding communities due to an exceptionally rich relatively predator free oceanic niche, high in the water column enabling them to reach high densities on these log rafts. However, this pseudoplanktonic hypothesis has never actually been quantitatively tested and some researchers have cast doubt that this mode of life was even possible. The ecological structure of the crinoid colony is resolved using spatial point process techniques and its longevity using moisture diffusion models. Using spatial analysis we found that the crinoids would have trailed preferentially positioned at the back of migrating structures in the regions of least resistance, consistent with a floating, not benthic ecology. Additionally, we found using a series of moisture diffusion models at different log densities and sizes that ecosystem collapse did not take place solely due to colonies becoming overladen as previously assumed. We have found that these crinoid colonies studied could have existed for greater than 10 years, even up to 20 years exceeding the life expectancy of modern documented megaraft systems with implications for the role of modern raft communities in the biotic colonisation of oceanic islands and intercontinental dispersal of marine and terrestrial species.Significance statement Transoceanic rafting is the principle mechanism for the biotic colonisation of oceanic island ecosystems. However, no historic records exist of how long such biotic systems lasted. Here, we use a deep-time example from the Early Jurassic to test the viability of these pseudoplanktonic systems, resolving for the first time whether these systems were truly free floating planktonic and viable for long enough to allow its inhabitants to grow to maturity. Using spatial methods we show that these colonies have a comparable structure to modern marine pesudoplankton on maritime structures, whilst the application of methods normally used in commercial logging is used to demonstrate the viability of the system which was capable of lasting up to 20 years.

ABSTRACT The Ediacaran organisms of the Mistaken Point E surface have provided crucial insight into early animal communities, including how they reproduced, the importance of Ediacaran height and what the most important factors were to their community dynamics. Here, we use this iconic community to investigate how morphological variation between eight taxa affected their ability to withstand different flow conditions. For each of Beothukis, Bradgatia, Charniodiscus procerus, Charniodiscus spinosus, Plumeropriscum, Primocandelabrum and Fractofusus we measured the orientation and length of their stems (if present) and their fronds. We statistically tested each taxon’s stem and frond orientation distributions to see whether they displayed a uniform or multimodal distribution. Where multimodal distributions were identified, the stem/frond length of each cohort was tested to identify if there were differences in size between different orientation groups. We find that Bradgatia and Thectardis show a bimodal felling direction, and infer that they were felled by the turbulent head of the felling flow. In contrast, the frondose rangeomorphs including Beothukis, Plumeropriscum, Primocandelabrum, and the arboreomorphs were felled in a single direction, indicating that they were upright in the water column, and were likely felled by the laminar tail of the felling flow. These differences in directionality suggests that an elongate habit, and particularly possession of a stem, lent greater resilience to frondose taxa against turbulent flows, suggesting that such taxa would have had improved survivability in conditions with higher background turbulence than taxa like Bradgatia and Thectardis, which lacked a stem and which had a higher centre of mass, which may have fared better in quieter water conditions.