The seminal importance of DNA sequencing to the life sciences, biotechnology and medicine has driven the search for more scalable and lower-cost solutions. Here we describe a DNA sequencing technology in which scalable, low-cost semiconductor manufacturing techniques are used to make an integrated circuit able to directly perform non-optical DNA sequencing of genomes. Sequence data are obtained by directly sensing the ions produced by template-directed DNA polymerase synthesis using all-natural nucleotides on this massively parallel semiconductor-sensing device or ion chip. The ion chip contains ion-sensitive, field-effect transistor-based sensors in perfect register with 1.2 million wells, which provide confinement and allow parallel, simultaneous detection of independent sequencing reactions. Use of the most widely used technology for constructing integrated circuits, the complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) process, allows for low-cost, large-scale production and scaling of the device to higher densities and larger array sizes. We show the performance of the system by sequencing three bacterial genomes, its robustness and scalability by producing ion chips with up to 10 times as many sensors and sequencing a human genome. Progress towards cheaper and more compact DNA sequencing devices is limited by a number of factors, including the need for imaging technology. A new DNA sequencing technology that does away with optical readout, instead gathering sequence data by directly sensing hydrogen ions produced by template-directed DNA synthesis, offers a route to low cost and scalable sequencing on a massively parallel semiconductor-sensing device or ion chip. The reactions are performed using all natural nucleotides, and the individual ion-sensitive chips are disposable and inexpensive. The system has been used to sequence three bacterial genomes and a human genome: that of Gordon Moore of Moore's law fame.

Background: Each of the cardiomyopathies, classically categorized as hypertrophic cardiomyopathy, dilated cardiomyopathy (DCM), and arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy, has a signature genetic theme. Hypertrophic cardiomyopathy and arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy are largely understood as genetic diseases of sarcomere or desmosome proteins, respectively. In contrast, >250 genes spanning >10 gene ontologies have been implicated in DCM, representing a complex and diverse genetic architecture. To clarify this, a systematic curation of evidence to establish the relationship of genes with DCM was conducted. Methods: An international panel with clinical and scientific expertise in DCM genetics evaluated evidence supporting monogenic relationships of genes with idiopathic DCM. The panel used the Clinical Genome Resource semiquantitative gene-disease clinical validity classification framework with modifications for DCM genetics to classify genes into categories on the basis of the strength of currently available evidence. Representation of DCM genes on clinically available genetic testing panels was evaluated. Results: Fifty-one genes with human genetic evidence were curated. Twelve genes (23%) from 8 gene ontologies were classified as having definitive ( BAG3 , DES , FLNC , LMNA , MYH7 , PLN , RBM20 , SCN5A , TNNC1 , TNNT2 , TTN ) or strong ( DSP ) evidence. Seven genes (14%; ACTC1 , ACTN2 , JPH2 , NEXN , TNNI3 , TPM1 , VCL ) including 2 additional ontologies were classified as moderate evidence; these genes are likely to emerge as strong or definitive with additional evidence. Of these 19 genes, 6 were similarly classified for hypertrophic cardiomyopathy and 3 for arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy. Of the remaining 32 genes (63%), 25 (49%) had limited evidence, 4 (8%) were disputed, 2 (4%) had no disease relationship, and 1 (2%) was supported by animal model data only. Of the 16 evaluated clinical genetic testing panels, most definitive genes were included, but panels also included numerous genes with minimal human evidence. Conclusions: In the curation of 51 genes, 19 had high evidence (12 definitive/strong, 7 moderate). It is notable that these 19 genes explain only a minority of cases, leaving the remainder of DCM genetic architecture incompletely addressed. Clinical genetic testing panels include most high-evidence genes; however, genes lacking robust evidence are also commonly included. We recommend that high-evidence DCM genes be used for clinical practice and that caution be exercised in the interpretation of variants in variable-evidence DCM genes.

Fanconi anemia (FA), a model syndrome of genome instability, is caused by a deficiency in DNA interstrand crosslink (ICL) repair resulting in chromosome breakage 1–3 . The FA repair pathway comprises at least 22 FANC proteins including BRCA1 and BRCA2 4–6 , and protects against carcinogenic endogenous and exogenous aldehydes 7–10 . Individuals with FA are hundreds to thousands-fold more likely to develop head and neck (HNSCC), esophageal and anogenital squamous cell carcinomas (SCCs) with a median onset age of 31 years 11 . The aggressive nature of these tumors and poor patient tolerance of platinum and radiation-based therapy have been associated with short survival in FA 11–16 . Molecular studies of SCCs from individuals with FA (FA SCCs) have been limited, and it is unclear how they relate to sporadic HNSCCs primarily driven by tobacco and alcohol exposure or human papillomavirus (HPV) infection 17 . Here, by sequencing FA SCCs, we demonstrate that the primary genomic signature of FA-deficiency is the presence of a high number of structural variants (SVs). SVs are enriched for small deletions, unbalanced translocations, and fold-back inversions that arise in the context of TP53 loss. The SV breakpoints preferentially localize to early replicating regions, common fragile sites, tandem repeats, and SINE elements. SVs are often connected forming complex rearrangements. Resultant genomic instability underlies elevated copy number alteration (CNA) rates of key HNSCC-associated genes, including PIK3CA, MYC, CSMD1, PTPRD, YAP1, MXD4, and EGFR. In contrast to sporadic HNSCC, we find no evidence of HPV infection in FA HNSCC, although positive cases were identified in gynecologic tumors. A murine allograft model of FA pathway-deficient SCC was enriched in SVs, exhibited dramatic tumor growth advantage, more rapid epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), and enhanced autonomous inflammatory signaling when compared to an FA pathway-proficient model. In light of the protective role of the FA pathway against SV formation uncovered here, and recent findings of FA pathway insufficiency in the setting of increased formaldehyde load resulting in hematopoietic stem cell failure and carcinogenesis 18–20 , we propose that high copy-number instability in sporadic HNSCC may result from functional overload of the FA pathway by endogenous and exogenous DNA crosslinking agents. Our work lays the foundation for improved FA patient treatment and demonstrates that FA SCC is a powerful model to study tumorigenesis resulting from DNA crosslinking damage.

Abstract Haploid human embryonic stem cells (ESCs) provide a powerful genetic system but diploidize at high rates. We hypothesized that diploidization results from aberrant DNA replication. To test this, we profiled DNA replication timing in isogenic haploid and diploid ESCs. The greatest difference was the earlier replication of the X chromosome in haploids, consistent with the lack of X chromosome inactivation. Surprisingly, we also identified 21 autosomal regions that had dramatically delayed replication in haploids, extending beyond the normal S phase and into G2/M. Haploid-delays comprised a unique set of quiescent genomic regions that are also under-replicated in polyploid placental cells. The same delays were observed in female ESCs with two active X chromosomes, suggesting that increased X chromosome dosage may cause delayed autosomal replication. We propose that incomplete replication at the onset of mitosis could prevent cell division and result in re-entry into the cell cycle and whole genome duplication. Highlights DNA replication timing of haploid ESCs profiled by WGS Extreme replication timing delays in haploid ESCs at unique genomic regions Replication delays associate with X-chromosome dosage in multiple systems Replication delayed regions correspond to underreplication in mouse polyploid cells

Genomic imprinting involves differential DNA methylation and gene expression between homologous paternal and maternal loci. It remains unclear, however, whether DNA replication also shows parent-of-origin-specific patterns at imprinted or other genomic regions. Here, we investigate genome-wide asynchronous DNA replication utilizing uniparental human embryonic stem cells containing either maternal-only (parthenogenetic) or paternal-only (androgenetic) DNA. Four clusters of imprinted genes exhibited differential replication timing based on parent of origin, while the remainder of the genome, 99.82%, showed no significant replication asynchrony between parental origins. Active alleles in imprinted gene clusters replicated earlier than their inactive counterparts. At the Prader-Willi syndrome locus, replication asynchrony spanned virtually the entirety of S phase. Replication asynchrony was carried through differentiation to neuronal precursor cells in a manner consistent with gene expression. This study establishes asynchronous DNA replication as a hallmark of large imprinted gene clusters.

Abstract Induced pluripotent stem cells (iPSC) are a widely used cell system and a foundation for cell therapy. Differences in gene expression, DNA methylation, and chromatin conformation, which have the potential to affect differentiation capacity, have been identified between iPSCs and embryonic stem cells (ESCs). Less is known about whether DNA replication timing – a process linked to both genome regulation and genome stability – is efficiently reprogrammed to the embryonic state. To answer this, we profiled and compared genome-wide replication timing between ESCs, iPSCs, and cells reprogrammed by somatic cell nuclear transfer (NT-ESCs). While NT-ESCs replicated their DNA in a manner indistinguishable from ESCs, a subset of iPSCs exhibit delayed replication at heterochromatic regions containing genes downregulated in iPSC with incompletely reprogrammed DNA methylation. DNA replication delays were not the result of gene expression and DNA methylation aberrations and persisted after differentiating cells to neuronal precursors. Thus, DNA replication timing can be resistant to reprogramming and lead to undesirable phenotypes in iPSCs, establishing it as an important genomic feature to consider when evaluating iPSC lines.

The composition of the gut microbiome is impacted by a complex array of factors, from nutrient composition and availability, to physical factors like temperature, pH and flow rate, as well as interactions among the members of the microbial community. Many of these factors are affected by the host, raising the question of how host genetic variation impacts microbiome composition. Human studies confirm a role for host genetics, but opinions vary on just how important is host genetic variation in determining gut microbiome composition. The mouse model, by allowing far better control of genetics, nutrition, and other environmental factors, has provided an excellent opportunity to extend this work, and the Diversity Outbred (DO) mice in particular present a chance for mapping host genetic variants that influence specific attributes of microbiome composition. Here we apply 16s sequencing to fecal samples of 247 DO mice and perform QTL mapping on microbial abundances. In addition to finding a number of novel associations, the concordance with heritabilities and associations with both human and mouse studies was striking, including the phylum Tenericutes, family Ruminococcaceae, as well as Staphylococcus and Turicibacter.

ABSTRACT Mutations in the SETX gene, which encodes Senataxin, are associated with the progressive neurodegenerative diseases Ataxia with Oculomotor Apraxia 2 (AOA2) and Amyotrophic Lateral Sclerosis 4 (ALS4). To identify the causal defect in AOA2, patient-derived cells and SETX knockouts (human and mouse) were analyzed using integrated genomic and transcriptomic approaches. We observed a genome-wide increase in chromosome instability (gains and losses) within genes and at chromosome fragile sites, resulting in changes to gene expression profiles. Senataxin loss caused increased transcription stress near promoters that correlated with high GCskew and R-loop accumulation at promoter-proximal regions. Notably, the chromosomal regions with gains and losses overlapped with regions of elevated transcription stress. In the absence of Senataxin, we found that Cockayne Syndrome protein CSB was required for the recruitment of the transcription-coupled repair endonucleases (XPG and XPF) and recombination protein RAD52 to target and resolve transcription bubbles containing R-loops, leading to error prone repair and genomic instability. These results show that transcription stress is an important contributor to SETX mutation-associated chromosome fragility and AOA2.

Purpose: Internationally-adopted variant interpretation guidelines from the American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG) are generic and require disease-specific refinement. Here we developed CardioClassifier (www.cardioclassifier.org), a semi-automated decision-support tool for inherited cardiac conditions (ICCs). Methods: CardioClassifier integrates data retrieved from multiple sources with user-input case-specific information, through an interactive interface, to support variant interpretation. Combining disease- and gene-specific knowledge with variant observations in large cohorts of cases and controls, we refined 14 computational ACMG criteria and created three ICC-specific rules. Results: We benchmarked CardioClassifier on 57 expertly-curated variants and show full retrieval of all computational data, concordantly activating 87.3% of rules. A generic annotation tool identified fewer than half as many clinically-actionable variants (64/219 vs 156/219, Fishers P=1.1x10-18), with important false positives; illustrating the critical importance of disease and gene-specific annotations. CardioClassifier identified putatively disease-causing variants in 33.7% of 327 cardiomyopathy cases, comparable with leading ICC laboratories. Through addition of manually-curated data, variants found in over 40% of cardiomyopathy cases are fully annotated, without requiring additional user-input data. Conclusion: CardioClassifier is an ICC-specific decision-support tool that integrates expertly curated computational annotations with case-specific data to generate fast, reproducible and interactive variant pathogenicity reports, according to best practice guidelines.

Abstract DNA replication follows a strict spatiotemporal program that intersects with chromatin structure and gene regulation. However, the genetic basis of the mammalian DNA replication timing program is poorly understood 1–3 . To systematically identify genetic regulators of DNA replication timing, we exploited inter-individual variation in 457 human pluripotent stem cell lines from 349 individuals. We show that the human genome’s replication program is broadly encoded in DNA and identify 1,617 cis -acting replication timing quantitative trait loci (rtQTLs 4 ) – base-pair-resolution sequence determinants of replication initiation. rtQTLs function individually, or in combinations of proximal and distal regulators, to affect replication timing. Analysis of rtQTL locations reveals a histone code for replication initiation, composed of bivalent histone H3 trimethylation marks on a background of histone hyperacetylation. The H3 trimethylation marks are individually repressive yet synergize to promote early replication. We further identify novel positive and negative regulators of DNA replication timing, the former comprised of pluripotency-related transcription factors while the latter involve boundary elements. Human replication timing is controlled by a multi-layered mechanism that operates on target DNA sequences, is composed of dozens of effectors working combinatorially, and follows principles analogous to transcription regulation: a histone code, activators and repressors, and a promoter-enhancer logic.