The reference human genome sequence set the stage for studies of genetic variation and its association with human disease, but epigenomic studies lack a similar reference. To address this need, the NIH Roadmap Epigenomics Consortium generated the largest collection so far of human epigenomes for primary cells and tissues. Here we describe the integrative analysis of 111 reference human epigenomes generated as part of the programme, profiled for histone modification patterns, DNA accessibility, DNA methylation and RNA expression. We establish global maps of regulatory elements, define regulatory modules of coordinated activity, and their likely activators and repressors. We show that disease- and trait-associated genetic variants are enriched in tissue-specific epigenomic marks, revealing biologically relevant cell types for diverse human traits, and providing a resource for interpreting the molecular basis of human disease. Our results demonstrate the central role of epigenomic information for understanding gene regulation, cellular differentiation and human disease.

Primary triple-negative breast cancers are shown to vary widely and continuously in the degree of clonal evolution and mutational content at the time of diagnosis, with implications for future studies of the disease. Samuel Aparicio et al. provide an in-depth genomic view of primary triple-negative breast cancers (TNBC), which represent approximately 16% of all breast cancers. TNBC cells are deficient in the expression of receptors for oestrogen, progesterone and epidermal growth factor. Through a combination of transcriptomic data and copy-number variation, this study shows that TNBCs vary widely and continuously in the content of clonal genotypes at the time of diagnosis. This means that future studies will need to consider individual tumour clonal genotypes. Primary triple-negative breast cancers (TNBCs), a tumour type defined by lack of oestrogen receptor, progesterone receptor and ERBB2 gene amplification, represent approximately 16% of all breast cancers1. Here we show in 104 TNBC cases that at the time of diagnosis these cancers exhibit a wide and continuous spectrum of genomic evolution, with some having only a handful of coding somatic aberrations in a few pathways, whereas others contain hundreds of coding somatic mutations. High-throughput RNA sequencing (RNA-seq) revealed that only approximately 36% of mutations are expressed. Using deep re-sequencing measurements of allelic abundance for 2,414 somatic mutations, we determine for the first time—to our knowledge—in an epithelial tumour subtype, the relative abundance of clonal frequencies among cases representative of the population. We show that TNBCs vary widely in their clonal frequencies at the time of diagnosis, with the basal subtype of TNBC2,3 showing more variation than non-basal TNBC. Although p53 (also known as TP53), PIK3CA and PTEN somatic mutations seem to be clonally dominant compared to other genes, in some tumours their clonal frequencies are incompatible with founder status. Mutations in cytoskeletal, cell shape and motility proteins occurred at lower clonal frequencies, suggesting that they occurred later during tumour progression. Taken together, our results show that understanding the biology and therapeutic responses of patients with TNBC will require the determination of individual tumour clonal genotypes.

Abstract

 Gene amplification occurs at high frequency in transformed cells (10⁻³–10⁻⁵), but is undetectable in normal diploid fibroblasts (<10⁻⁹). This study examines whether alterations of one or both p53 alleles were sufficient to allow gene amplification to occur. Cells retaining one wild-type p53 allele mimicked the behavior of primary diploid cells: they arrested growth in the presence of drug and failed to demonstrate amplification. Cells losing the second p53 allele failed to arrest when placed in drug and displayed the ability to amplify at a high frequency. Thus, loss of wild-type p53 may lead to amplification, possibly caused by changes in cell cycle progression. Other determinants can by-pass this p53 function, however, since tumor cells with wild-type p53 have the ability to amplify genes.

Benign breast disease is an important risk factor for breast cancer. We studied a large group of women with benign breast disease to obtain reliable estimates of this risk.

Expression of the human telomerase catalytic component, hTERT, in normal human somatic cells can reconstitute telomerase activity and extend their replicative lifespan1,2. We report here that at twice the normal number of population doublings, telomerase-expressing human skin fibroblasts (BJ-hTERT) and retinal pigment epithelial cells (RPE-hTERT) retain normal growth control in response to serum deprivation, high cell density, G1 or G2 phase blockers and spindle inhibitors. In addition, we observed no cell growth in soft agar and detected no tumour formation in vivo. Thus, we find that telomerase expression in normal cells does not appear to induce changes associated with a malignant phenotype.

Ribonuclease L (RNase L) is an important effector of the innate antiviral response. Mutations or variants that impair function of RNase L, particularly R462Q, have been proposed as susceptibility factors for prostate cancer. Given the role of this gene in viral defense, we sought to explore the possibility that a viral infection might contribute to prostate cancer in individuals harboring the R462Q variant. A viral detection DNA microarray composed of oligonucleotides corresponding to the most conserved sequences of all known viruses identified the presence of gammaretroviral sequences in cDNA samples from seven of 11 R462Q-homozygous (QQ) cases, and in one of eight heterozygous (RQ) and homozygous wild-type (RR) cases. An expanded survey of 86 tumors by specific RT-PCR detected the virus in eight of 20 QQ cases (40%), compared with only one sample (1.5%) among 66 RQ and RR cases. The full-length viral genome was cloned and sequenced independently from three positive QQ cases. The virus, named XMRV, is closely related to xenotropic murine leukemia viruses (MuLVs), but its sequence is clearly distinct from all known members of this group. Comparison of gag and pol sequences from different tumor isolates suggested infection with the same virus in all cases, yet sequence variation was consistent with the infections being independently acquired. Analysis of prostate tissues from XMRV-positive cases by in situ hybridization and immunohistochemistry showed that XMRV nucleic acid and protein can be detected in about 1% of stromal cells, predominantly fibroblasts and hematopoietic elements in regions adjacent to the carcinoma. These data provide to our knowledge the first demonstration that xenotropic MuLV-related viruses can produce an authentic human infection, and strongly implicate RNase L activity in the prevention or clearance of infection in vivo. These findings also raise questions about the possible relationship between exogenous infection and cancer development in genetically susceptible individuals.

Senescence and genomic integrity are thought to be important barriers in the development of malignant lesions1. Human fibroblasts undergo a limited number of cell divisions before entering an irreversible arrest, called senescence2. Here we show that human mammary epithelial cells (HMECs) do not conform to this paradigm of senescence. In contrast to fibroblasts, HMECs exhibit an initial growth phase that is followed by a transient growth plateau (termed selection or M0; refs 3,4,5), from which proliferative cells emerge to undergo further population doublings (∼20–70), before entering a second growth plateau (previously termed senescence or M1; refs 4,5,6). We find that the first growth plateau exhibits characteristics of senescence but is not an insurmountable barrier to further growth. HMECs emerge from senescence, exhibit eroding telomeric sequences and ultimately enter telomere-based crisis to generate the types of chromosomal abnormalities seen in the earliest lesions of breast cancer. Growth past senescent barriers may be a pivotal event in the earliest steps of carcinogenesis, providing many genetic changes that predicate oncogenic evolution. The differences between epithelial cells and fibroblasts provide new insights into the mechanistic basis of neoplastic transformation.

Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of metastatic lung cancer was performed using 49 clinical biopsies obtained from 30 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNA-seq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell-state transition, whereas those present at on-therapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap-junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNA-seq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.

Because of the constant threat posed by emerging infectious diseases and the limitations of existing approaches used to identify new pathogens, there is a great demand for new technological methods for viral discovery. We describe herein a DNA microarray-based platform for novel virus identification and characterization. Central to this approach was a DNA microarray designed to detect a wide range of known viruses as well as novel members of existing viral families; this microarray contained the most highly conserved 70mer sequences from every fully sequenced reference viral genome in GenBank. During an outbreak of severe acute respiratory syndrome (SARS) in March 2003, hybridization to this microarray revealed the presence of a previously uncharacterized coronavirus in a viral isolate cultivated from a SARS patient. To further characterize this new virus, approximately 1 kb of the unknown virus genome was cloned by physically recovering viral sequences hybridized to individual array elements. Sequencing of these fragments confirmed that the virus was indeed a new member of the coronavirus family. This combination of array hybridization followed by direct viral sequence recovery should prove to be a general strategy for the rapid identification and characterization of novel viruses and emerging infectious disease.

Local control of localized protein synthesis Localized protein synthesis provides spatiotemporal precision for injury responses and growth decisions at remote positions in nerve axons. Terenzio et al. show that this process is controlled by local translation of preexisting axonal mRNA encoding the master regulator mTOR (see the Perspective by Riccio). mTOR controls both its own synthesis and that of most newly synthesized proteins at axonal injury sites, thereby determining the subsequent survival and growth of the injured neuron. Science , this issue p. 1416 ; see also p. 1331