Genomic instability arising from defective responses to DNA damage1 or mitotic chromosomal imbalances2 can lead to the sequestration of DNA in aberrant extranuclear structures called micronuclei (MN). Although MN are a hallmark of ageing and diseases associated with genomic instability, the catalogue of genetic players that regulate the generation of MN remains to be determined. Here we analyse 997 mouse mutant lines, revealing 145 genes whose loss significantly increases (n = 71) or decreases (n = 74) MN formation, including many genes whose orthologues are linked to human disease. We found that mice null for Dscc1, which showed the most significant increase in MN, also displayed a range of phenotypes characteristic of patients with cohesinopathy disorders. After validating the DSCC1-associated MN instability phenotype in human cells, we used genome-wide CRISPR-Cas9 screening to define synthetic lethal and synthetic rescue interactors. We found that the loss of SIRT1 can rescue phenotypes associated with DSCC1 loss in a manner paralleling restoration of protein acetylation of SMC3. Our study reveals factors involved in maintaining genomic stability and shows how this information can be used to identify mechanisms that are relevant to human disease biology1.

CRISPR-Cas9 gene-editing is widely used to study gene function and is being advanced for therapeutic applications. Structural rearrangements are a ubiquitous feature of cancers and their impact on CRISPR-Cas9 gene-editing has not yet been systematically assessed. Utilising CRISPR-Cas9 knockout screens for 163 cancer cell lines, we demonstrate that targeting tandem amplified regions is highly detrimental to cellular fitness, in contrast to amplifications caused by chromosomal duplications which have little to no effect. Genomically clustered Cas9 double-strand DNA breaks are associated with a strong gene-independent decrease in cell fitness. We systematically identified collateral vulnerabilities in 25% of cancer cells, introduced by tandem amplifications of tissue non-expressed genes. Our analysis demonstrates the importance of structural rearrangements in mediating the effect of CRISPR-Cas9-induced DNA damage, with implications for the use of CRISPR-Cas9 gene-editing technology, and how resulting collateral vulnerabilities are a generalisable strategy to target cancer cells.

Understanding the mechanisms driving lineage-specific evolution in both primates and rodents has been hindered by the lack of sister clades with a similar phylogenetic structure having high-quality genome assemblies. Here, we have created chromosome-level assemblies of the Mus caroli and Mus pahari genomes. Together with the Mus musculus and Rattus norvegicus genomes, this set of rodent genomes is similar in divergence times to the Hominidae (human-chimpanzee-gorilla-orangutan). By comparing the evolutionary dynamics between the Muridae and Hominidae, we identified punctate events of chromosome reshuffling that shaped the ancestral karyotype of Mus musculus and Mus caroli between 3 to 6 MYA, but that are absent in the Hominidae. In fact, Hominidae show between four- and seven-fold lower rates of nucleotide change and feature turnover in both neutral and functional sequences suggesting an underlying coherence to the Muridae acceleration. Our system of matched, high-quality genome assemblies revealed how specific classes of repeats can play lineage-specific roles in related species. For example, recent LINE activity has remodeled protein-coding loci to a greater extent across the Muridae than the Hominidae, with functional consequences at the species level such as reproductive isolation. Furthermore, we charted a Muridae-specific retrotransposon expansion at unprecedented resolution, revealing how a single nucleotide mutation transformed a specific SINE element into an active CTCF binding site carrier specifically in Mus caroli. This process resulted in thousands of novel, species-specific CTCF binding sites. Our results demonstrate that the comparison of matched phylogenetic sets of genomes will be an increasingly powerful strategy for understanding mammalian biology.

We have generated an improved assembly and gene annotation of the pig X chromosome, and a first draft assembly of the pig Y chromosome, by sequencing BAC and fosmid clones, and incorporating information from optical mapping and fibre-FISH. The X chromosome carries 1,014 annotated genes, 689 of which are protein-coding. Gene order closely matches that found in Primates (including humans) and Carnivores (including cats and dogs), which is inferred to be ancestral. Nevertheless, several protein-coding genes present on the human X chromosome were absent from the pig (e.g. the cancer/testis antigen family) or inactive (e.g. AWAT1), and 38 pig-specific X-chromosomal genes were annotated, 22 of which were olfactory receptors. The pig Y chromosome assembly focussed on two clusters of male-specific low-copy number genes, separated by an ampliconic region including the HSFY gene family, which together make up most of the short arm. Both clusters contain palindromes with high sequence identity, presumably maintained by gene conversion. The long arm of the chromosome is almost entirely repetitive, containing previously characterised sequences. Many of the ancestral X-related genes previously reported in at least one mammalian Y chromosome are represented either as active genes or partial sequences. This sequencing project has allowed us to identify genes - both single copy and amplified - on the pig Y, to compare the pig X and Y chromosomes for homologous sequences, and thereby to reveal mechanisms underlying pig X and Y chromosome evolution.

Approximately 5% of the human genome consists of structural variants, which are enriched for genes involved in the immune response and cell-cell interactions. A well-established region of extensive structural variation is the glycophorin gene cluster, comprising three tandemly-repeated regions about 120kb in length, carrying the highly homologous genes GYPA , GYPB and GYPE . Glycophorin A and glycophorin B are glycoproteins present at high levels on the surface of erythrocytes, and they have been suggested to act as decoy receptors for viral pathogens. They act as receptors for invasion of a causative agent of malaria, Plasmodium falciparum . A particular complex structural variant (DUP4) that creates a GYPB / GYPA fusion gene is known to confer resistance to malaria. Many other structural variants exist, and remain poorly characterised. Here, we analyse sequences from 6466 genomes from across the world for structural variation at the glycophorin locus, confirming 15 variants in the 1000 Genomes project cohort, discovering 9 new variants, and characterising a selection using fibre-FISH and breakpoint mapping. We identify variants predicted to create novel fusion genes and a common inversion duplication variant at appreciable frequencies in West Africans. We show that almost all variants can be explained by unequal cross over events (non-allelic homologous recombination, NAHR) and. by comparing the structural variant breakpoints with recombination hotspot maps, show the importance of a particular meiotic recombination hotspot on structural variant formation in this region.

Structural variants contribute substantially to genetic diversity and are important evolutionarily and medically, yet are still understudied. Here, we present a comprehensive analysis of deletions, duplications, insertions, inversions and non-reference unique insertions in the Human Genome Diversity Project (HGDP-CEPH) panel, a high-coverage dataset of 911 samples from 54 diverse worldwide populations. We identify in total 126,018 structural variants (25,588 <100 bp in size), of which 78% are novel. Some reach high frequency and are private to continental groups or even individual populations, including a deletion in the maltase-glucoamylase gene MGAM involved in starch digestion, in the South American Karitiana and a deletion in the Central African Mbuti in SIGLEC5, potentially leading to immune hyperactivity. We discover a dynamic range of copy number expansions and find cases of regionally-restricted runaway duplications, for example, 18 copies near the olfactory receptor OR7D2 in East Asia and in the clinically-relevant HCAR2 in Central Asia. We identify highly-stratified putatively introgressed variants from Neanderthals or Denisovans, some of which, like a deletion within AQR in Papuans, are almost fixed in individual populations. Finally, by de novo assembly of 25 genomes using linked-read sequencing we discover 1631 breakpoint-resolved unique insertions, in aggregate accounting for 1.9 Mb of sequence absent from the GRCh38 reference. These insertions show population structure and some reside in functional regions, illustrating the limitation of a single human reference and the need for high-quality genomes from diverse populations to fully discover and understand human genetic variation.

Amplified gene families on sex chromosomes can harbour genes with important biological functions, especially relating to fertility. The HSFY family has amplified on the Y chromosome of the domestic pig (Sus scrofa), in an apparently independent event to an HSFY expansion on the Y chromosome of cattle (Bos taurus). Although the biological functions of HSFY genes are poorly understood, they appear to be involved in gametogenesis in a number of mammalian species, and, in cattle, HSFY gene copy number correlates with levels of fertility. We have investigated the HSFY family in domestic pigs, and other suid species including warthogs, bushpigs, babirusas and peccaries. The domestic pig contains at least two amplified variants of HSFY, distinguished predominantly by presence or absence of a SINE within the intron. Both these variants are expressed in testis, and both are present in approximately 50 copies each in a single cluster on the short arm of the Y. The longer form has multiple nonsense mutations rendering it likely non-functional, but many of the shorter forms still have coding potential. Other suid species also have these two variants of HSFY, and estimates of copy number suggest the HSFY family may have amplified independently twice during suid evolution. Given the association of HSFY gene copy number with fertility in cattle, HSFY is likely to play an important role in spermatogenesis in pigs also.

Despite the rapid development of sequencing technologies, assembly of mammalian-scale genomes into complete chromosomes remains one of the most challenging problems in bioinformatics. To help address this difficulty, we developed Ragout, a reference-assisted assembly tool that now works for large and complex genomes. Taking one or more target assemblies (generated from an NGS assembler) and one or multiple related reference genomes, Ragout infers the evolutionary relationships between the genomes and builds the final assemblies using a genome rearrangement approach. Using Ragout, we transformed NGS assemblies of 15 different Mus musculus and one Mus spretus genomes into sets of complete chromosomes, leaving less than 5% of sequence unlocalized per set. Various benchmarks, including PCR testing and realigning of long PacBio reads, suggest only a small number of structural errors in the final assemblies, comparable with direct assembly approaches. Additionally, we applied Ragout to Mus caroli and Mus pahari genomes, which exhibit karyotype-scale variations compared to other genomes from the Muridae family. Chromosome color maps confirmed most large-scale rearrangements that Ragout detected.

Mouse embryonic stem cells are derived from in vitro explantation of blastocyst epiblasts and contribute to both the somatic lineage and germline when returned to the blastocyst but are normally excluded from the trophoblast lineage and primitive endoderm. Here, we report that cultures of expanded potential stem cells (EPSCs) can be established from individual blastomeres, by direct conversion of mouse embryonic stem cells (ESCs) and by genetically reprogramming somatic cells. Remarkably, a single EPSC contributes to the embryo proper and placenta trophoblasts in chimeras. Critically, culturing EPSCs in a trophoblast stem cell (TSC) culture condition permits direct establishment of TSC lines without genetic modification. Molecular analyses including single cell RNA-seq reveal that EPSCs share cardinal pluripotency features with ESCs but have an enriched blastomere transcriptomic signature and a dynamic DNA methylome. These proof-of-concept results open up the possibility of establishing cultures of similar stem cells in other mammalian species.

Summary Execution of pluripotency requires progression from the naïve status represented by mouse embryonic stem cells (ESCs) to a condition poised for lineage specification. This process is controlled at transcriptional, post-transcriptional and epigenetic levels and non-coding RNAs are contributors to this regulation complexity. Here we identify a molecular cascade initiated by a long non-coding RNA (lncRNA), Ephemeron ( Epn ), that modulates the dynamics of exit from naïve pluripotency. Epn deletion delays the extinction of ESC identity, an effect mediated by perduring expression of the pivotal transcription factor Nanog. In the absence of Epn , Lin28a expression is reduced, resulting in an elevated level of Mirlet7g that suppresses de novo methyltransferases Dnmt3a/b. Dnmt3a/b deletion also retards exit from the ESC state, and is associated with delayed promoter methylation and slower down-regulation of Nanog. Altogether, our findings reveal a lncRNA/miRNA/DNA methylation axis that facilitates a timely stem cell state transition.