David Adams, Julia Newton-Bishop, Timothy Bishop, Nicholas Hayward and colleagues identify loss-of-function variants in POT1 in several families with early onset multiple primary melanoma. They further show that these variants disrupt telomere binding by POT1 and are associated with increased telomere length. Deleterious germline variants in CDKN2A account for around 40% of familial melanoma cases1, and rare variants in CDK4, BRCA2, BAP1 and the promoter of TERT have also been linked to the disease2,3,4,5. Here we set out to identify new high-penetrance susceptibility genes by sequencing 184 melanoma cases from 105 pedigrees recruited in the UK, The Netherlands and Australia that were negative for variants in known predisposition genes. We identified families where melanoma cosegregates with loss-of-function variants in the protection of telomeres 1 gene (POT1), with a proportion of family members presenting with an early age of onset and multiple primary tumors. We show that these variants either affect POT1 mRNA splicing or alter key residues in the highly conserved oligonucleotide/oligosaccharide-binding (OB) domains of POT1, disrupting protein-telomere binding and leading to increased telomere length. These findings suggest that POT1 variants predispose to melanoma formation via a direct effect on telomeres.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified ~20 melanoma susceptibility loci. To identify susceptibility genes and variants simultaneously from multiple GWAS loci, we integrated massively-parallel reporter assays (MPRA) with cell type-specific epigenomic data as well as melanocyte-specific expression quantitative trait loci (eQTL) profiling. Starting from 16 melanoma loci, we selected 832 variants overlapping active regions of chromatin in cells of melanocytic lineage and identified 39 candidate functional variants displaying allelic transcriptional activity by MPRA. For four of these loci, we further identified four colocalizing melanocyte cis -eQTL genes ( CTSS , CASP8 , MX2 , and MAFF ) matching the allelic activity of MPRA functional variants. Among these, we further characterized the locus encompassing the HIV-1 restriction gene, MX2 , on chromosome band Chr21q22.3 and validated a functional variant, rs398206, among multiple high LD variants. rs398206 mediates allelic transcriptional activity via binding of the transcription factor, YY1. This allelic transcriptional regulation is consistent with a significant cis -eQTL of MX2 in primary human melanocytes, where the melanoma risk-associated A allele of rs398206 is correlated with higher MX2 levels. Melanocyte-specific transgenic expression of human MX2 in a zebrafish model demonstrated accelerated melanoma formation in a BRAF V600E background. Thus, using an efficient scalable approach to streamline GWAS follow-up functional studies, we identified multiple candidate melanoma susceptibility genes and variants, and uncovered a pleiotropic function of MX2 in melanoma susceptibility.