Cancers arise owing to the accumulation of mutations in critical genes that alter normal programmes of cell proliferation, differentiation and death. As the first stage of a systematic genome-wide screen for these genes, we have prioritized for analysis signalling pathways in which at least one gene is mutated in human cancer. The RAS–RAF–MEK–ERK–MAP kinase pathway mediates cellular responses to growth signals1. RAS is mutated to an oncogenic form in about 15% of human cancer. The three RAF genes code for cytoplasmic serine/threonine kinases that are regulated by binding RAS1,2,3. Here we report BRAF somatic missense mutations in 66% of malignant melanomas and at lower frequency in a wide range of human cancers. All mutations are within the kinase domain, with a single substitution (V599E) accounting for 80%. Mutated BRAF proteins have elevated kinase activity and are transforming in NIH3T3 cells. Furthermore, RAS function is not required for the growth of cancer cell lines with the V599E mutation. As BRAF is a serine/threonine kinase that is commonly activated by somatic point mutation in human cancer, it may provide new therapeutic opportunities in malignant melanoma.

Cancers arise owing to mutations in a subset of genes that confer growth advantage. The availability of the human genome sequence led us to propose that systematic resequencing of cancer genomes for mutations would lead to the discovery of many additional cancer genes. Here we report more than 1,000 somatic mutations found in 274 megabases (Mb) of DNA corresponding to the coding exons of 518 protein kinase genes in 210 diverse human cancers. There was substantial variation in the number and pattern of mutations in individual cancers reflecting different exposures, DNA repair defects and cellular origins. Most somatic mutations are likely to be ‘passengers’ that do not contribute to oncogenesis. However, there was evidence for ‘driver’ mutations contributing to the development of the cancers studied in approximately 120 genes. Systematic sequencing of cancer genomes therefore reveals the evolutionary diversity of cancers and implicates a larger repertoire of cancer genes than previously anticipated. Over 350 cancer-causing genes have been identified by established techniques such as mapping, bioassay and by identifying plausible biological candidates. The availability of the human genome sequence now means that large-scale sequencing studies can uncover many more candidate cancer genes. Protein kinase enzymes are key to many regulatory processes and their dysfunction is a common trigger for tumours. So a sample of 518 kinases associated with more than 200 different cancers was chosen for a major sequencing effort. The study reveals more than 1, 000 previously unknown mutations linked to tumour formation — some as 'passengers' that don't contribute to cancer formation, but over 100 of them as 'driver' mutations that do contribute to disease development. As well as revealing cancer-causing defects, gene family studies like this can uncover new targets for molecular diagnostics and therapeutics. 518 protein kinase genes in the human genome have been sequenced in a large sample of tumours, providing a global view of the patterns of mutations found and the variations in the number and type of mutations between individual tumours.

Multiple sclerosis is a disease of the central nervous system that involves interplay between inflammation and neurodegeneration. Despite intensive study, much of the genetic architecture underlying susceptibility to the disease remains to be defined. A large, international, collaborative genome-wide association study involving almost 10,000 cases, all of European descent, has confirmed about 20 previously reported multiple-sclerosis-linked regions of DNA, and identified an additional 29 novel susceptibility loci. Further analysis implicates the differentiation of T-helper cells as particularly relevant to the pathogenesis of this disease. Multiple sclerosis is a common disease of the central nervous system in which the interplay between inflammatory and neurodegenerative processes typically results in intermittent neurological disturbance followed by progressive accumulation of disability1. Epidemiological studies have shown that genetic factors are primarily responsible for the substantially increased frequency of the disease seen in the relatives of affected individuals2,3, and systematic attempts to identify linkage in multiplex families have confirmed that variation within the major histocompatibility complex (MHC) exerts the greatest individual effect on risk4. Modestly powered genome-wide association studies (GWAS)5,6,7,8,9,10 have enabled more than 20 additional risk loci to be identified and have shown that multiple variants exerting modest individual effects have a key role in disease susceptibility11. Most of the genetic architecture underlying susceptibility to the disease remains to be defined and is anticipated to require the analysis of sample sizes that are beyond the numbers currently available to individual research groups. In a collaborative GWAS involving 9,772 cases of European descent collected by 23 research groups working in 15 different countries, we have replicated almost all of the previously suggested associations and identified at least a further 29 novel susceptibility loci. Within the MHC we have refined the identity of the HLA-DRB1 risk alleles and confirmed that variation in the HLA-A gene underlies the independent protective effect attributable to the class I region. Immunologically relevant genes are significantly overrepresented among those mapping close to the identified loci and particularly implicate T-helper-cell differentiation in the pathogenesis of multiple sclerosis.

Using the ImmunoChip custom genotyping array, we analyzed 14,498 subjects with multiple sclerosis and 24,091 healthy controls for 161,311 autosomal variants and identified 135 potentially associated regions (P < 1.0 × 10(-4)). In a replication phase, we combined these data with previous genome-wide association study (GWAS) data from an independent 14,802 subjects with multiple sclerosis and 26,703 healthy controls. In these 80,094 individuals of European ancestry, we identified 48 new susceptibility variants (P < 5.0 × 10(-8)), 3 of which we found after conditioning on previously identified variants. Thus, there are now 110 established multiple sclerosis risk variants at 103 discrete loci outside of the major histocompatibility complex. With high-resolution Bayesian fine mapping, we identified five regions where one variant accounted for more than 50% of the posterior probability of association. This study enhances the catalog of multiple sclerosis risk variants and illustrates the value of fine mapping in the resolution of GWAS signals.

A large survey for somatic mutations in clear cell renal cell carcinomas, the most common form of adult kidney cancer, shows that in addition to the known inactivating mutations in the VHL gene, recurrent mutations occur in the NF2 gene, which encodes a tumour suppressor protein and in genes encoding the chromatin modifying enzymes SETD2, JARID1C and UTX. Clear cell renal carcinoma, the most common form of adult kidney cancer, is often characterized by the presence of inactivating mutations in the VHL gene. A large survey for somatic mutations now identifies inactivating mutations in two genes encoding enzymes involved in histone modification, highlighting the role of mutations in components of the chromatin modification machinery in human cancer. Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is the most common form of adult kidney cancer, characterized by the presence of inactivating mutations in the VHL gene in most cases1,2, and by infrequent somatic mutations in known cancer genes. To determine further the genetics of ccRCC, we have sequenced 101 cases through 3,544 protein-coding genes. Here we report the identification of inactivating mutations in two genes encoding enzymes involved in histone modification—SETD2, a histone H3 lysine 36 methyltransferase, and JARID1C (also known as KDM5C), a histone H3 lysine 4 demethylase—as well as mutations in the histone H3 lysine 27 demethylase, UTX (KMD6A), that we recently reported3. The results highlight the role of mutations in components of the chromatin modification machinery in human cancer. Furthermore, NF2 mutations were found in non-VHL mutated ccRCC, and several other probable cancer genes were identified. These results indicate that substantial genetic heterogeneity exists in a cancer type dominated by mutations in a single gene, and that systematic screens will be key to fully determining the somatic genetic architecture of cancer.

The contribution of rare and low-frequency variants to human traits is largely unexplored. Here we describe insights from sequencing whole genomes (low read depth, 7×) or exomes (high read depth, 80×) of nearly 10,000 individuals from population-based and disease collections. In extensively phenotyped cohorts we characterize over 24 million novel sequence variants, generate a highly accurate imputation reference panel and identify novel alleles associated with levels of triglycerides (APOB), adiponectin (ADIPOQ) and low-density lipoprotein cholesterol (LDLR and RGAG1) from single-marker and rare variant aggregation tests. We describe population structure and functional annotation of rare and low-frequency variants, use the data to estimate the benefits of sequencing for association studies, and summarize lessons from disease-specific collections. Finally, we make available an extensive resource, including individual-level genetic and phenotypic data and web-based tools to facilitate the exploration of association results.

Cancer is driven by mutation. Worldwide, tobacco smoking is the principal lifestyle exposure that causes cancer, exerting carcinogenicity through >60 chemicals that bind and mutate DNA. Using massively parallel sequencing technology, we sequenced a small-cell lung cancer cell line, NCI-H209, to explore the mutational burden associated with tobacco smoking. A total of 22,910 somatic substitutions were identified, including 134 in coding exons. Multiple mutation signatures testify to the cocktail of carcinogens in tobacco smoke and their proclivities for particular bases and surrounding sequence context. Effects of transcription-coupled repair and a second, more general, expression-linked repair pathway were evident. We identified a tandem duplication that duplicates exons 3–8 of CHD7 in frame, and another two lines carrying PVT1–CHD7 fusion genes, indicating that CHD7 may be recurrently rearranged in this disease. These findings illustrate the potential for next-generation sequencing to provide unprecedented insights into mutational processes, cellular repair pathways and gene networks associated with cancer. The two cancer genome sequences presented in this issue demonstrate how next-generation sequencing technologies can inform us about mutational processes, repair pathways and gene networks associated with cancer development. First, the genome of a cell line derived from a bone marrow metastasis in a patient who had small-cell lung cancer. This cancer is typical of the type induced by smoking, and the sequence contains mutation signatures characteristic of some of the more than 60 carcinogens present in tobacco smoke. The second paper compares the whole genome sequence of a melanoma cell line to a lymphoblastoid cell line from the same individual. This, the first complete mutational analysis of a solid tumour, reveals a dominant mutational signature reflecting DNA damage due to exposure to ultraviolet light. Tobacco smoke contains more than sixty carcinogens that bind and mutate DNA. Here, massively parallel sequencing technology is used to sequence a small-cell lung cancer cell line, exploring the mutational burden associated with tobacco smoking. Multiple mutation signatures from the cocktail of carcinogens in tobacco smoke are found, as well as evidence of transcription-coupled repair and another, more general, expression-linked repair pathway.

Richard Trembath, Peter Donnelly and colleagues report a genome-wide association study identifying six new psoriasis susceptibility loci. They also identify a statistical interaction between HLA-C and ERAP1 in psoriasis susceptibility. To identify new susceptibility loci for psoriasis, we undertook a genome-wide association study of 594,224 SNPs in 2,622 individuals with psoriasis and 5,667 controls. We identified associations at eight previously unreported genomic loci. Seven loci harbored genes with recognized immune functions (IL28RA, REL, IFIH1, ERAP1, TRAF3IP2, NFKBIA and TYK2). These associations were replicated in 9,079 European samples (six loci with a combined P < 5 × 10−8 and two loci with a combined P < 5 × 10−7). We also report compelling evidence for an interaction between the HLA-C and ERAP1 loci (combined P = 6.95 × 10−6). ERAP1 plays an important role in MHC class I peptide processing. ERAP1 variants only influenced psoriasis susceptibility in individuals carrying the HLA-C risk allele. Our findings implicate pathways that integrate epidermal barrier dysfunction with innate and adaptive immune dysregulation in psoriasis pathogenesis.

Matthew Brown, Peter Donnelly and colleagues report results of a genome-wide association meta-analysis and follow-up study of ankylosing spondylitis. They identify three new risk variants and report a genetic interaction between ERAP1 and HLA-B27, implicating aberrant peptide handling in the pathophysiology of this disease. Ankylosing spondylitis is a common form of inflammatory arthritis predominantly affecting the spine and pelvis that occurs in approximately 5 out of 1,000 adults of European descent. Here we report the identification of three variants in the RUNX3, LTBR-TNFRSF1A and IL12B regions convincingly associated with ankylosing spondylitis (P < 5 × 10−8 in the combined discovery and replication datasets) and a further four loci at PTGER4, TBKBP1, ANTXR2 and CARD9 that show strong association across all our datasets (P < 5 × 10−6 overall, with support in each of the three datasets studied). We also show that polymorphisms of ERAP1, which encodes an endoplasmic reticulum aminopeptidase involved in peptide trimming before HLA class I presentation, only affect ankylosing spondylitis risk in HLA-B27–positive individuals. These findings provide strong evidence that HLA-B27 operates in ankylosing spondylitis through a mechanism involving aberrant processing of antigenic peptides.

Multiple somatic rearrangements are often found in cancer genomes; however, the underlying processes of rearrangement and their contribution to cancer development are poorly characterized. Here we use a paired-end sequencing strategy to identify somatic rearrangements in breast cancer genomes. There are more rearrangements in some breast cancers than previously appreciated. Rearrangements are more frequent over gene footprints and most are intrachromosomal. Multiple rearrangement architectures are present, but tandem duplications are particularly common in some cancers, perhaps reflecting a specific defect in DNA maintenance. Short overlapping sequences at most rearrangement junctions indicate that these have been mediated by non-homologous end-joining DNA repair, although varying sequence patterns indicate that multiple processes of this type are operative. Several expressed in-frame fusion genes were identified but none was recurrent. The study provides a new perspective on cancer genomes, highlighting the diversity of somatic rearrangements and their potential contribution to cancer development. It has been known for decades that many tumours contain genomic rearrangements, but little is known about their causes and effects. Using new 'paired-end' sequencing technologies, Stephens et al. have now mapped the chromosome rearrangements in human breast cancers at high resolution. They find more rearrangements than previously recognized, most of them intrachromosomal rather than interchromosomal. Tandem duplications were remarkably common in some breast cancers but essentially absent from others, and may reflect a novel mutator phenotype. Multiple somatic rearrangements are often found in cancer genomes, but the underlying processes of rearrangement and the effects of this are unclear. A paired-end sequencing strategy is now used to map somatic rearrangements in human breast cancer genomes. More rearrangements in some breast cancers are found than previously recognized, including frequent tandem duplications that may reflect a specific defect in DNA maintenance.