A BLUEPRINT of immune cell development To determine the epigenetic mechanisms that direct blood cells to develop into the many components of our immune system, the BLUEPRINT consortium examined the regulation of DNA and RNA transcription to dissect the molecular traits that govern blood cell differentiation. By inducing immune responses, Saeed et al. document the epigenetic changes in the genome that underlie immune cell differentiation. Cheng et al. demonstrate that trained monocytes are highly dependent on the breakdown of sugars in the presence of oxygen, which allows cells to produce the energy needed to mount an immune response. Chen et al. examine RNA transcripts and find that specific cell lineages use RNA transcripts of different length and composition (isoforms) to form proteins. Together, the studies reveal how epigenetic effects can drive the development of blood cells involved in the immune system. Science , this issue 10.1126/science.1251086 , 10.1126/science.1250684 , 10.1126/science.1251033

The dissection of complex traits of economic importance to the pig industry requires the availability of a significant number of genetic markers, such as single nucleotide polymorphisms (SNPs). This study was conducted to discover several hundreds of thousands of porcine SNPs using next generation sequencing technologies and use these SNPs, as well as others from different public sources, to design a high-density SNP genotyping assay.A total of 19 reduced representation libraries derived from four swine breeds (Duroc, Landrace, Large White, Pietrain) and a Wild Boar population and three restriction enzymes (AluI, HaeIII and MspI) were sequenced using Illumina's Genome Analyzer (GA). The SNP discovery effort resulted in the de novo identification of over 372K SNPs. More than 549K SNPs were used to design the Illumina Porcine 60K+SNP iSelect Beadchip, now commercially available as the PorcineSNP60. A total of 64,232 SNPs were included on the Beadchip. Results from genotyping the 158 individuals used for sequencing showed a high overall SNP call rate (97.5%). Of the 62,621 loci that could be reliably scored, 58,994 were polymorphic yielding a SNP conversion success rate of 94%. The average minor allele frequency (MAF) for all scorable SNPs was 0.274.Overall, the results of this study indicate the utility of using next generation sequencing technologies to identify large numbers of reliable SNPs. In addition, the validation of the PorcineSNP60 Beadchip demonstrated that the assay is an excellent tool that will likely be used in a variety of future studies in pigs.

The use of two kinase inhibitors (2i) enables derivation of mouse embryonic stem cells (ESCs) in the pluripotent ground state. Using whole-genome bisulfite sequencing (WGBS), we show that male 2i ESCs are globally hypomethylated compared to conventional ESCs maintained in serum. In serum, female ESCs are hypomethyated similarly to male ESCs in 2i, and DNA methylation is further reduced in 2i. Regions with elevated DNA methylation in 2i strongly correlate with the presence of H3K9me3 on endogenous retroviruses (ERVs) and imprinted loci. The methylome of male ESCs in serum parallels postimplantation blastocyst cells, while 2i stalls ESCs in a hypomethylated, ICM-like state. WGBS analysis during adaptation of 2i ESCs to serum suggests that deposition of DNA methylation is largely random, while loss of DNA methylation during reversion to 2i occurs passively, initiating at TET1 binding sites. Together, our analysis provides insight into DNA methylation dynamics in cultured ESCs paralleling early developmental processes.

Blood cells derive from hematopoietic stem cells through stepwise fating events. To characterize gene expression programs driving lineage choice, we sequenced RNA from eight primary human hematopoietic progenitor populations representing the major myeloid commitment stages and the main lymphoid stage. We identified extensive cell type-specific expression changes: 6711 genes and 10,724 transcripts, enriched in non-protein-coding elements at early stages of differentiation. In addition, we found 7881 novel splice junctions and 2301 differentially used alternative splicing events, enriched in genes involved in regulatory processes. We demonstrated experimentally cell-specific isoform usage, identifying nuclear factor I/B (NFIB) as a regulator of megakaryocyte maturation-the platelet precursor. Our data highlight the complexity of fating events in closely related progenitor populations, the understanding of which is essential for the advancement of transplantation and regenerative medicine.

Abstract Motivation The increase in speed, reliability and cost-effectiveness of high-throughput sequencing has led to the widespread clinical application of genome (WGS), exome (WXS) and transcriptome analysis. WXS and RNA sequencing is now being implemented as standard of care for patients and for patients included in clinical studies. To keep track of sample relationships and analyses, a platform is needed that can unify metadata for diverse sequencing strategies with sample metadata whilst supporting automated and reproducible analyses. In essence ensuring that analysis is conducted consistently, and data is Findable, Accessible, Interoperable and Reusable (FAIR). Results We present “Trecode”, a framework that records both clinical and research sample (meta) data and manages computational genome analysis workflows executed for both settings. Thereby achieving tight integration between analyses results and sample metadata. With complete, consistent and FAIR (meta) data management in a single platform, stacked bioinformatic analyses are performed automatically and tracked by the database ensuring data provenance, reproducibility and reusability which is key in worldwide collaborative translational research. Availability and implementation The Trecode data model, codebooks, NGS workflows and client programs are currently being cleared from local compute infrastructure dependencies and will become publicly available in spring 2021. Contact p.kemmeren@prinsesmaximacentrum.nl

Abstract Background Gene fusions are important cancer drivers in pediatric cancer and their accurate detection is essential for diagnosis and treatment. Clinical decision-making requires high confidence and precision of detection. Recent developments show RNA sequencing (RNA-seq) is promising for genome-wide detection of fusion products, but hindered by many false positives that require extensive manual curation and impede discovery of pathogenic fusions. Results We developed Fusion-sq to detect tumor-specific gene fusions by integrating and “fusing” evidence from RNA-seq and whole genome sequencing (WGS) using intron-exon gene structure. In a pediatric pan-cancer cohort of 130 patients, we identified 165 high confidence tumor-specific gene fusions and their underlying structural variants (SVs). This includes all clinically relevant fusions known to be present in this cohort (30 patients). Fusion-sq distinguishes healthy-occurring from tumor-specific fusions, and resolves fusions in amplified regions and copy number unstable genomes. A high gene fusion burden is associated with copy number instability. We identified 27 potentially pathogenic fusions involving oncogenes or tumor-suppressor genes characterised by underlying SVs or expression changes indicative of activating or disruptive effects. Conclusions Our results indicate how clinically relevant and potentially pathogenic gene fusions can be identified and their functional effects investigated by combining WGS and RNA-seq. Integrating RNA fusion predictions with underlying SVs advances fusion detection beyond extensive manual filtering. Taken together, we developed a method for identifying candidate fusions that is suitable for precision oncology applications. Our method provides multi-omics evidence for assessing the pathogenicity of tumor-specific fusions for future clinical decision making.

Neutrophils and monocytes provide a first line of defense against infections as part of the innate immune system. Here we report the integrated analysis of transcriptomic and epigenetic landscapes for circulating monocytes and neutrophils with the aim to enable downstream interpretation and functional validation of key regulatory elements in health and disease. We collected RNA-seq data, ChIP-seq of six histone modifications and of DNA methylation by bisulfite sequencing at base pair resolution from up to 6 individuals per cell type. Chromatin segmentation analyses suggested that monocytes have a higher number of cell-specific enhancer regions (4-fold) compared to neutrophils. This highly plastic epigenome is likely indicative of the greater differentiation potential of monocytes into macrophages, dendritic cells and osteoclasts. In contrast, most of the neutrophil-specific features tend to be characterized by repressed chromatin, reflective of their status as terminally differentiated cells. Enhancers were the regions where most of differences in DNA methylation between cells were observed, with monocyte-specific enhancers being generally hypomethylated. Monocytes show a substantially higher gene expression levels than neutrophils, in line with epigenomic analysis revealing that gene more active elements in monocytes. Our analyses suggest that the overexpression of c-Myc in monocytes and its binding to monocyte-specific enhancers could be an important contributor to these differences. Altogether, our study provides a comprehensive epigenetic chart of chromatin states in primary human neutrophils and monocytes, thus providing a valuable resource for studying the regulation of the human innate immune system.

Background: In pediatric cancer, structural variants (SVs) and copy number alterations can contribute to cancer initiation and progression, and hence aid diagnosis and treatment stratification. The few studies into complex rearrangements have found associations with tumor aggressiveness or poor outcome. Yet, their prevalence and biological relevance across pediatric solid tumors remains unknown. Results: In a cohort of 120 primary tumors, we systematically characterized patterns of extrachromosomal DNA, chromoplexy and chromothripsis across five pediatric solid cancer types: neuroblastoma, Ewing sarcoma, Wilms tumor, hepatoblastoma and rhabdomyosarcoma. Complex SVs were identified in 56 tumors (47%) and different classes occurred across multiple cancer types. Recurrently mutated regions tend to be cancer-type specific and overlap with cancer genes, suggesting that selection contributes to shaping the SV landscape. In total, we identified potentially pathogenic complex SVs in 42 tumors that affect cancer driver genes or result in unfavorable chromosomal alterations. Half of which were known drivers, e.g. MYCN amplifications due to ecDNA and EWSR1::FLI1 fusions due to chromoplexy. Recurrent novel candidate complex events include chromoplexy in WT1 in Wilms tumors, focal chromothripsis with 1p loss in hepatoblastomas and complex MDM2 amplifications in rhabdomyosarcomas. Conclusions: Complex SVs are prevalent and pathogenic in pediatric solid tumors. They represent a type of genomic variation which currently remains unexplored. Moreover, carrying complex SVs seems to be associated with adverse clinical events. Our study highlights the potential for complex SVs to be incorporated in risk stratification or exploited for targeted treatments.

Despite the meteoric rise of single cell RNA-seq, only a few preprocessing pipelines exist that are able to perform all steps from the original fastq files to a gene expression table ready for further analysis. Here we present Sharq, a versatile preprocessing pipeline designed to work with plate-based 3'-end protocols that include Unique Molecular Identifiers (UMIs). Sharq performs stringent step-wise trimming of reads, assigns them to features according to a flexible hierarchical model, and uses the barcode and UMI information to avoid amplification biases and produce gene expression tables. Additionally, Sharq provides an extensive plate diagnostics report for quality control and troubleshooting, including that of spatial artefacts. The diagnostics report includes measures of the quality of the individual plate wells as well as a robust assessment which of them contain material from live cells. Collectively, the innovative approaches presented here provide a valuable tool for processing and quality control of single cell RNA-seq data.

Summary Chromosomal alterations have recurrently been identified in Wilms tumors (WTs) and some are associated with poor prognosis. Gain of 1q (1q+) is of special interest given its high prevalence and is currently actively studied for its prognostic value. However, the underlying mutational mechanisms and functional effects remain unknown. For 30 primary WTs, we integrated somatic SNVs, CNs and SVs with expression data and distinguished four clusters characterized by affected biological processes: muscle differentiation, immune system, kidney development and proliferation. We identified 1q+ in eight tumors that differ in mutational mechanisms, subsequent rearrangements and genomic contexts. 1q+ tumors were present in all four expression clusters and individual tumors overexpress different genes on 1q. Through integrating CNs, SVs and gene expression, we identified subgroups of 1q+ tumors reflecting differences in the functional effect of 1q gain, indicating that expression data is likely needed for further risk stratification of 1q+ WTs.