Abstract During the course of a lifetime normal human cells accumulate mutations. Here, using multiple samples from the same individuals we compared the mutational landscape in 29 anatomical structures from soma and the germline. Two ubiquitous mutational signatures, SBS1 and SBS5/40, accounted for the majority of acquired mutations in most cell types but their absolute and relative contributions varied substantially. SBS18, potentially reflecting oxidative damage, and several additional signatures attributed to exogenous and endogenous exposures contributed mutations to subsets of cell types. The mutation rate was lowest in spermatogonia, the stem cell from which sperm are generated and from which most genetic variation in the human population is thought to originate. This was due to low rates of ubiquitous mutation processes and may be partially attributable to a low cell division rate of basal spermatogonia. The results provide important insights into how mutational processes affect the soma and germline.

Summary Mutation in the germline is the source of all evolutionary genetic variation and a cause of genetic disease. Previous studies have shown parental age to be the primary determinant of the number of new germline mutations seen in an individual’s genome. Here we analysed the genome-wide sequences of 21,879 families with rare genetic diseases and identified 12 hypermutated individuals with between two and seven times more de novo single nucleotide variants (dnSNVs) than expected. In most of these families (8/12) the excess mutations could be attributed to the father. We determined that two of these families had genetic drivers of germline hypermutation, with the fathers carrying damaging genetic variation in known DNA repair genes, causing distinctive mutational signatures. For five families, by analysing clinical records and mutational signatures, we determined that paternal exposure to chemotherapeutic agents prior to conception was a key driver of hypermutation. Our results suggest that the germline is well protected from mutagenic effects, hypermutation is rare and relatively modest in degree and that most hypermutated individuals will not have a genetic disease.

Abstract As part of an ongoing genome sequencing project at the Oregon National Primate Research Center, we identified a rhesus macaque with a rare homozygous frameshift mutation in the gene Methyl-CpG binding domain 4 ( MBD4 ). MBD4 is responsible for the repair of C>T deamination mutations at CpG locations and has been linked to somatic hypermutation and cancer predisposition in humans. We show here that MBD4-associated hypermutation also affects the germline: the 6 offspring of the MBD4 -null dam have a 4-6 fold increase in de novo mutation burden. This excess burden was predominantly C>T mutations at CpG locations consistent with MBD4 loss-of-function in the dam. There was also a significant excess of C>T at CpA sites, indicating an important, underappreciated role for MBD4 to repair deamination in CpA contexts. The MBD4 -null dam developed sustained eosinophilia later in life, but we saw no other signs of neoplastic processes associated with MBD4 loss-of-function in humans, nor any obvious disease in the hypermutated offspring. This work provides what is likely the first evidence for a genetic factor causing hypermutation in the maternal germline of a mammal, and adds to the very small list of naturally occurring variants known to modulate germline mutation rates in mammals.

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.

Abstract Characterization of somatic mutations at single-cell resolution is essential to study cancer evolution, clonal mosaicism, and cell plasticity. However, detection of mutations in single cells remains technically challenging. Here, we describe SComatic, an algorithm designed for the detection of somatic mutations in single-cell transcriptomic and ATAC-seq data sets without requiring matched bulk or single-cell DNA sequencing data. Using >1.5M single cells from 383 single-cell RNAseq and single-cell ATAC-seq data sets spanning cancer and non-neoplastic samples, we show that SComatic detects mutations in single cells, even in differentiated cells from polyclonal tissues not amenable to mutation detection using existing methods. In addition, SComatic permits the estimation of mutational burdens and de novo mutational signature analysis at single-cell and cell-type resolution. Notably, using matched exome and single-cell RNAseq data, we show that SComatic achieves a 20 to 40-fold increase in precision as compared to existing algorithms for somatic SNV calling without compromising sensitivity. Overall, SComatic opens the possibility to study somatic mutagenesis at unprecedented scale and resolution using high-throughput single-cell profiling data sets.

ABSTRACT Germ cell tumours (GCTs) are a collection of benign and malignant neoplasms derived from primordial germ cells. They are uniquely able to recapitulate embryonic and extraembryonic tissues, which carries prognostic and therapeutic significance. The developmental pathways underpinning GCT initiation and histogenesis are incompletely understood. Here, we studied the relationship of histogenesis and clonal diversification in GCTs by analysing the genome and transcriptome of 547 microdissected histological units. We found that the extensive diversification of tissues and genetic subclones were not correlated. However, we identified unifying features including the retention of fetal developmental transcripts across tissues, expression changes on chromosome 12p, and a conserved somatic evolutionary sequence of whole genome duplication followed by clonal diversification. Whilst this pattern was preserved across all GCTs, the developmental timing of the duplication varied between prepubertal and postpubertal cases. In addition, tumours of younger children exhibited distinct substitution signatures, including a novel one, which may lend themselves as potential biomarkers for risk stratification. Our findings portray the extensive diversification of GCT tissues and genetic subclones as randomly distributed, whilst identifying overarching tissue and tumour transcriptional and genomic features.

All normal somatic cells are thought to acquire mutations. However, characterisation of the patterns and consequences of somatic mutation in normal tissues is limited. Uterine endometrium is a dynamic tissue that undergoes cyclical shedding and reconstitution and is lined by a gland-forming epithelium. Whole genome sequencing of normal endometrial glands showed that most are clonal cell populations derived from a recent common ancestor with mutation burdens differing from other normal cell types and manyfold lower than endometrial cancers. Mutational signatures found ubiquitously account for most mutations. Many, in some women potentially all, endometrial glands are colonised by cell clones carrying driver mutations in cancer genes, often with multiple drivers. Total and driver mutation burdens increase with age but are also influenced by other factors including body mass index and parity. Clones with drivers often originate during early decades of life. The somatic mutational landscapes of normal cells differ between cell types and are revealing the procession of neoplastic change leading to cancer.

Individuals with severe, undiagnosed developmental disorders (DDs) are enriched for damaging de novo mutations (DNMs) in developmentally important genes. We exome sequenced 4,293 families with individuals with DDs, and meta-analysed these data with published data on 3,287 individuals with similar disorders. We show that the most significant factors influencing the diagnostic yield of de novo mutations are the sex of the affected individual, the relatedness of their parents and the age of both father and mother. We identified 94 genes enriched for damaging de novo mutation at genome-wide significance (P < 7 x 10-7), including 14 genes for which compelling data for causation was previously lacking. We have characterised the phenotypic diversity among these genetic disorders. We demonstrate that, at current cost differentials, exome sequencing has much greater power than genome sequencing for novel gene discovery in genetically heterogeneous disorders. We estimate that 42% of our cohort carry pathogenic DNMs (single nucleotide variants and indels) in coding sequences, with approximately half operating by a loss-of-function mechanism, and the remainder resulting in altered-function (e.g. activating, dominant negative). We established that most haplo insufficient developmental disorders have already been identified, but that many altered-function disorders remain to be discovered. Extrapolating from the DDD cohort to the general population, we estimate that developmental disorders caused by DNMs have an average birth prevalence of 1 in 213 to 1 in 448 (0.22-0.47% of live births), depending on parental age.

In developed countries, approximately 10% of individuals are exposed to systemic chemotherapy for cancer and other diseases. Many chemotherapeutic agents act by increasing DNA damage in cancer cells, triggering cell death. However, there is limited understanding of the extent and long-term consequences of collateral DNA damage to normal tissues. To investigate the impact of chemotherapy on mutation burdens and cell population structure of a normal tissue we sequenced blood cell genomes from 23 individuals, aged 3–80 years, treated with a range of chemotherapy regimens. Substantial additional mutation loads with characteristic mutational signatures were imposed by some chemotherapeutic agents, but there were differences in burden between different classes of agent, different agents of the same class and different blood cell types. Chemotherapy also induced premature changes in the cell population structure of normal blood, similar to those of normal ageing. The results constitute an initial survey of the long–term biological consequences of cytotoxic agents to which a substantial fraction of the population is exposed during the course of their disease management, raising mechanistic questions and highlighting opportunities for mitigation of adverse effects.

De novo structural variants (dnSVs) have emerged as crucial genetic factors in the context of rare disorders. However, these variations often go undiagnosed in routine genetic screening practices. To shed light on their significance in rare disease, we conducted a comprehensive analysis of the largest cohort of parent-offspring whole-genome sequencing data from the UK 100,000 Genomes Project. Our study encompassed a vast cohort of 12,568 families, including 13,702 offspring affected by rare genetic diseases. We identified a total of 1,872 dnSVs, revealing that approximately 12% of the probands harboured at least one dnSV, of which 9% were identified as likely pathogenic in affected probands (151/1696). Advanced parents' age was found to be associated with an increased chance of having dnSVs in probands. We discovered 148 clustered breakpoints resulting from a single event. 60% of these complex dnSVs were classified into 9 major SV types, and could be observed in multiple individuals, while the remaining 40% were private events and had not been previously reported. We found 12% of pathogenic dnSVs are complex SVs, emphasising the critical importance of thoroughly examining and considering complex dnSVs in the context of rare disorders. Furthermore, we discovered an enrichment of maternal dnSVs at subtelometric, early-replicating regions of chromosome 16, suggesting possible sex-specific mechanisms in generation of dnSVs. This study sheds light on the extent of diversity of dnSVs in the germline and their contribution to rare genetic disorders.