Human cancer cells typically harbour multiple chromosomal aberrations, nucleotide substitutions and epigenetic modifications that drive malignant transformation. The Cancer Genome Atlas (TCGA) pilot project aims to assess the value of large-scale multi-dimensional analysis of these molecular characteristics in human cancer and to provide the data rapidly to the research community. Here we report the interim integrative analysis of DNA copy number, gene expression and DNA methylation aberrations in 206 glioblastomas—the most common type of adult brain cancer—and nucleotide sequence aberrations in 91 of the 206 glioblastomas. This analysis provides new insights into the roles of ERBB2, NF1 and TP53, uncovers frequent mutations of the phosphatidylinositol-3-OH kinase regulatory subunit gene PIK3R1, and provides a network view of the pathways altered in the development of glioblastoma. Furthermore, integration of mutation, DNA methylation and clinical treatment data reveals a link between MGMT promoter methylation and a hypermutator phenotype consequent to mismatch repair deficiency in treated glioblastomas, an observation with potential clinical implications. Together, these findings establish the feasibility and power of TCGA, demonstrating that it can rapidly expand knowledge of the molecular basis of cancer. The Cancer Genome Atlas, a large-scale genomics project to catalogue cancer-linked mutations, is starting to produce results. Glioblastoma, the most common brain cancer, was the first target for the project and the initial results, published AOP on 4 September, are now in print. Genes newly implicated in glioblastoma include tumour suppressors (NF1, RB1, ATM and APC) and several tyrosine kinase genes. Glioblastoma is extremely resistant to therapy, hence the potential importance of the development of a possible model system. Zheng et al. report that mice lacking the tumour suppressors p53 and Pten develop tumours resembling human glioblastomas, associated with increased Myc protein levels. As well as offering a potential system for testing therapeutics, this points to c-Myc as a possible drug target. With a comprehensive analysis of sequencing data, DNA copy number, gene expression and DNA methylation in a large number of human glioblastomas, The Cancer Genome Atlas project initiative provides a broad overview of the genes and pathways that are altered in this cancer type.

Determining the genetic basis of cancer requires comprehensive analyses of large collections of histopathologically well-classified primary tumours. Here we report the results of a collaborative study to discover somatic mutations in 188 human lung adenocarcinomas. DNA sequencing of 623 genes with known or potential relationships to cancer revealed more than 1,000 somatic mutations across the samples. Our analysis identified 26 genes that are mutated at significantly high frequencies and thus are probably involved in carcinogenesis. The frequently mutated genes include tyrosine kinases, among them the EGFR homologue ERBB4; multiple ephrin receptor genes, notably EPHA3; vascular endothelial growth factor receptor KDR; and NTRK genes. These data provide evidence of somatic mutations in primary lung adenocarcinoma for several tumour suppressor genes involved in other cancers--including NF1, APC, RB1 and ATM--and for sequence changes in PTPRD as well as the frequently deleted gene LRP1B. The observed mutational profiles correlate with clinical features, smoking status and DNA repair defects. These results are reinforced by data integration including single nucleotide polymorphism array and gene expression array. Our findings shed further light on several important signalling pathways involved in lung adenocarcinoma, and suggest new molecular targets for treatment.

The laboratory rat (Rattus norvegicus) is an indispensable tool in experimental medicine and drug development, having made inestimable contributions to human health. We report here the genome sequence of the Brown Norway (BN) rat strain. The sequence represents a high-quality ‘draft’ covering over 90% of the genome. The BN rat sequence is the third complete mammalian genome to be deciphered, and three-way comparisons with the human and mouse genomes resolve details of mammalian evolution. This first comprehensive analysis includes genes and proteins and their relation to human disease, repeated sequences, comparative genome-wide studies of mammalian orthologous chromosomal regions and rearrangement breakpoints, reconstruction of ancestral karyotypes and the events leading to existing species, rates of variation, and lineage-specific and lineage-independent evolutionary events such as expansion of gene families, orthology relations and protein evolution.

Chromatin immunoprecipitation (ChIP) followed by high-throughput DNA sequencing (ChIP-seq) has become a valuable and widely used approach for mapping the genomic location of transcription-factor binding and histone modifications in living cells. Despite its widespread use, there are considerable differences in how these experiments are conducted, how the results are scored and evaluated for quality, and how the data and metadata are archived for public use. These practices affect the quality and utility of any global ChIP experiment. Through our experience in performing ChIP-seq experiments, the ENCODE and modENCODE consortia have developed a set of working standards and guidelines for ChIP experiments that are updated routinely. The current guidelines address antibody validation, experimental replication, sequencing depth, data and metadata reporting, and data quality assessment. We discuss how ChIP quality, assessed in these ways, affects different uses of ChIP-seq data. All data sets used in the analysis have been deposited for public viewing and downloading at the ENCODE (http://encodeproject.org/ENCODE/) and modENCODE (http://www.modencode.org/) portals.

The NIH Roadmap Epigenomics Mapping Consortium aims to produce a public resource of epigenomic maps for stem cells and primary ex vivo tissues selected to represent the normal counterparts of tissues and organ systems frequently involved in human disease.

The rhesus macaque ( Macaca mulatta ) is an abundant primate species that diverged from the ancestors of Homo sapiens about 25 million years ago. Because they are genetically and physiologically similar to humans, rhesus monkeys are the most widely used nonhuman primate in basic and applied biomedical research. We determined the genome sequence of an Indian-origin Macaca mulatta female and compared the data with chimpanzees and humans to reveal the structure of ancestral primate genomes and to identify evidence for positive selection and lineage-specific expansions and contractions of gene families. A comparison of sequences from individual animals was used to investigate their underlying genetic diversity. The complete description of the macaque genome blueprint enhances the utility of this animal model for biomedical research and improves our understanding of the basic biology of the species.

We report the sequence and analysis of the 814-megabase genome of the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus , a model for developmental and systems biology. The sequencing strategy combined whole-genome shotgun and bacterial artificial chromosome (BAC) sequences. This use of BAC clones, aided by a pooling strategy, overcame difficulties associated with high heterozygosity of the genome. The genome encodes about 23,300 genes, including many previously thought to be vertebrate innovations or known only outside the deuterostomes. This echinoderm genome provides an evolutionary outgroup for the chordates and yields insights into the evolution of deuterostomes.

Methods for profiling DNA methylation differ in the physical principles used to detect modified cytosines. Harris et al. compare the performances of four sequencing-based technologies for genome-wide analysis of DNA methylation and combine two methods to enable detection of allelic differences in epigenetic marks. Analysis of DNA methylation patterns relies increasingly on sequencing-based profiling methods. The four most frequently used sequencing-based technologies are the bisulfite-based methods MethylC-seq and reduced representation bisulfite sequencing (RRBS), and the enrichment-based techniques methylated DNA immunoprecipitation sequencing (MeDIP-seq) and methylated DNA binding domain sequencing (MBD-seq). We applied all four methods to biological replicates of human embryonic stem cells to assess their genome-wide CpG coverage, resolution, cost, concordance and the influence of CpG density and genomic context. The methylation levels assessed by the two bisulfite methods were concordant (their difference did not exceed a given threshold) for 82% for CpGs and 99% of the non-CpG cytosines. Using binary methylation calls, the two enrichment methods were 99% concordant and regions assessed by all four methods were 97% concordant. We combined MeDIP-seq with methylation-sensitive restriction enzyme (MRE-seq) sequencing for comprehensive methylome coverage at lower cost. This, along with RNA-seq and ChIP-seq of the ES cells enabled us to detect regions with allele-specific epigenetic states, identifying most known imprinted regions and new loci with monoallelic epigenetic marks and monoallelic expression.

While current major national research efforts (i.e., the NIH Human Microbiome Project) will enable comprehensive metagenomic characterization of the adult human microbiota, how and when these diverse microbial communities take up residence in the host and during reproductive life are unexplored at a population level. Because microbial abundance and diversity might differ in pregnancy, we sought to generate comparative metagenomic signatures across gestational age strata. DNA was isolated from the vagina (introitus, posterior fornix, midvagina) and the V5V3 region of bacterial 16S rRNA genes were sequenced (454FLX Titanium platform). Sixty-eight samples from 24 healthy gravidae (18 to 40 confirmed weeks) were compared with 301 non-pregnant controls (60 subjects). Generated sequence data were quality filtered, taxonomically binned, normalized, and organized by phylogeny and into operational taxonomic units (OTU); principal coordinates analysis (PCoA) of the resultant beta diversity measures were used for visualization and analysis in association with sample clinical metadata. Altogether, 1.4 gigabytes of data containing >2.5 million reads (averaging 6,837 sequences/sample of 493 nt in length) were generated for computational analyses. Although gravidae were not excluded by virtue of a posterior fornix pH >4.5 at the time of screening, unique vaginal microbiome signature encompassing several specific OTUs and higher-level clades was nevertheless observed and confirmed using a combination of phylogenetic, non-phylogenetic, supervised, and unsupervised approaches. Both overall diversity and richness were reduced in pregnancy, with dominance of Lactobacillus species (L. iners crispatus, jensenii and johnsonii, and the orders Lactobacillales (and Lactobacillaceae family), Clostridiales, Bacteroidales, and Actinomycetales. This intergroup comparison using rigorous standardized sampling protocols and analytical methodologies provides robust initial evidence that the vaginal microbial 16S rRNA gene catalogue uniquely differs in pregnancy, with variance of taxa across vaginal subsite and gestational age.

Background & AimsThe intestinal microbiomes of healthy children and pediatric patients with irritable bowel syndrome (IBS) are not well defined. Studies in adults have indicated that the gastrointestinal microbiota could be involved in IBS.MethodsWe analyzed 71 samples from 22 children with IBS (pediatric Rome III criteria) and 22 healthy children, ages 7–12 years, by 16S ribosomal RNA gene sequencing, with an average of 54,287 reads/stool sample (average 454 read length = 503 bases). Data were analyzed using phylogenetic-based clustering (Unifrac), or an operational taxonomic unit (OTU) approach using a supervised machine learning tool (randomForest). Most samples were also hybridized to a microarray that can detect 8741 bacterial taxa (16S rRNA PhyloChip).ResultsMicrobiomes associated with pediatric IBS were characterized by a significantly greater percentage of the class γ-proteobacteria (0.07% vs 0.89% of total bacteria, respectively; P < .05); 1 prominent component of this group was Haemophilus parainfluenzae. Differences highlighted by 454 sequencing were confirmed by high-resolution PhyloChip analysis. Using supervised learning techniques, we were able to classify different subtypes of IBS with a success rate of 98.5%, using limited sets of discriminant bacterial species. A novel Ruminococcus-like microbe was associated with IBS, indicating the potential utility of microbe discovery for gastrointestinal disorders. A greater frequency of pain correlated with an increased abundance of several bacterial taxa from the genus Alistipes.ConclusionsUsing16S metagenomics by PhyloChip DNA hybridization and deep 454 pyrosequencing, we associated specific microbiome signatures with pediatric IBS. These findings indicate the important association between gastrointestinal microbes and IBS in children; these approaches might be used in diagnosis of functional bowel disorders in pediatric patients. The intestinal microbiomes of healthy children and pediatric patients with irritable bowel syndrome (IBS) are not well defined. Studies in adults have indicated that the gastrointestinal microbiota could be involved in IBS. We analyzed 71 samples from 22 children with IBS (pediatric Rome III criteria) and 22 healthy children, ages 7–12 years, by 16S ribosomal RNA gene sequencing, with an average of 54,287 reads/stool sample (average 454 read length = 503 bases). Data were analyzed using phylogenetic-based clustering (Unifrac), or an operational taxonomic unit (OTU) approach using a supervised machine learning tool (randomForest). Most samples were also hybridized to a microarray that can detect 8741 bacterial taxa (16S rRNA PhyloChip). Microbiomes associated with pediatric IBS were characterized by a significantly greater percentage of the class γ-proteobacteria (0.07% vs 0.89% of total bacteria, respectively; P < .05); 1 prominent component of this group was Haemophilus parainfluenzae. Differences highlighted by 454 sequencing were confirmed by high-resolution PhyloChip analysis. Using supervised learning techniques, we were able to classify different subtypes of IBS with a success rate of 98.5%, using limited sets of discriminant bacterial species. A novel Ruminococcus-like microbe was associated with IBS, indicating the potential utility of microbe discovery for gastrointestinal disorders. A greater frequency of pain correlated with an increased abundance of several bacterial taxa from the genus Alistipes. Using16S metagenomics by PhyloChip DNA hybridization and deep 454 pyrosequencing, we associated specific microbiome signatures with pediatric IBS. These findings indicate the important association between gastrointestinal microbes and IBS in children; these approaches might be used in diagnosis of functional bowel disorders in pediatric patients.