Genome sequencing of large numbers of individuals promises to advance the understanding, treatment, and prevention of human diseases, among other applications. We describe a genome sequencing platform that achieves efficient imaging and low reagent consumption with combinatorial probe anchor ligation chemistry to independently assay each base from patterned nanoarrays of self-assembling DNA nanoballs. We sequenced three human genomes with this platform, generating an average of 45- to 87-fold coverage per genome and identifying 3.2 to 4.5 million sequence variants per genome. Validation of one genome data set demonstrates a sequence accuracy of about 1 false variant per 100 kilobases. The high accuracy, affordable cost of $4400 for sequencing consumables, and scalability of this platform enable complete human genome sequencing for the detection of rare variants in large-scale genetic studies.

IL-23 is needed to protect mucosal surfaces from bacterial pathogens. Murphy and colleagues identify a Notch-2-dependent CD11b+ dendritic cell population that produces IL-23 and is required for survival after infection with Citrobacter. Defense against attaching-and-effacing bacteria requires the sequential generation of interleukin 23 (IL-23) and IL-22 to induce protective mucosal responses. Although CD4+ and NKp46+ innate lymphoid cells (ILCs) are the critical source of IL-22 during infection, the precise source of IL-23 is unclear. We used genetic techniques to deplete mice of specific subsets of classical dendritic cells (cDCs) and analyzed immunity to the attaching-and-effacing pathogen Citrobacter rodentium. We found that the signaling receptor Notch2 controlled the terminal stage of cDC differentiation. Notch2-dependent intestinal CD11b+ cDCs were an obligate source of IL-23 required for survival after infection with C. rodentium, but CD103+ cDCs dependent on the transcription factor Batf3 were not. Our results demonstrate a nonredundant function for CD11b+ cDCs in the response to pathogens in vivo.

The AP1 transcription factor Batf3 is required for homeostatic development of CD8α+ classical dendritic cells that prime CD8 T-cell responses against intracellular pathogens. Here we identify an alternative, Batf3-independent pathway in mice for CD8α+ dendritic cell development operating during infection with intracellular pathogens and mediated by the cytokines interleukin (IL)-12 and interferon-γ. This alternative pathway results from molecular compensation for Batf3 provided by the related AP1 factors Batf, which also functions in T and B cells, and Batf2 induced by cytokines in response to infection. Reciprocally, physiological compensation between Batf and Batf3 also occurs in T cells for expression of IL-10 and CTLA4. Compensation among BATF factors is based on the shared capacity of their leucine zipper domains to interact with non-AP1 factors such as IRF4 and IRF8 to mediate cooperative gene activation. Conceivably, manipulating this alternative pathway of dendritic cell development could be of value in augmenting immune responses to vaccines. The roles of BATF transcription factors in dendritic cell differentiation are studied, providing evidence for molecular compensation by related family members; compensation is based on the interaction of the BATF leucine zipper domains with IRF factors to mediate cooperative gene activation. Kenneth Murphy and colleagues study the roles of the AP-1 transcription factor BATF in dendritic-cell differentiation — a process that primes CD8+ T-cell responses to intracellular pathogens — and provide evidence for molecular compensation by related family members. Compensation is based on the interaction of the BATF leucine-zipper domains with the interferon regulatory factors IRF4 and IRF8 to mediate cooperative gene activation. In a complementary study, Warren Leonard and colleagues provide evidence that IRF4 regulates CD4+ T-cell differentiation and TH17 function by cooperative binding interactions with the AP-1 family members BATF and JUN. These studies point to potential new targets for manipulating key immune responses that depend on BATF–IRF4 interactions.

Splenic red pulp macrophages (RPM) degrade senescent erythrocytes and recycle heme-associated iron. The transcription factor SPI-C is selectively expressed by RPM and is required for their development, but the physiologic stimulus inducing Spic is unknown. Here, we report that Spic also regulated the development of F4/80+VCAM1+ bone marrow macrophages (BMM) and that Spic expression in BMM and RPM development was induced by heme, a metabolite of erythrocyte degradation. Pathologic hemolysis induced loss of RPM and BMM due to excess heme but induced Spic in monocytes to generate new RPM and BMM. Spic expression in monocytes was constitutively inhibited by the transcriptional repressor BACH1. Heme induced proteasome-dependent BACH1 degradation and rapid Spic derepression. Furthermore, cysteine-proline dipeptide motifs in BACH1 that mediate heme-dependent degradation were necessary for Spic induction by heme. These findings are the first example of metabolite-driven differentiation of a tissue-resident macrophage subset and provide new insights into iron homeostasis.

The two major lineages of classical dendritic cells (cDCs) express and require either IRF8 or IRF4 transcription factors for their development and function. IRF8-dependent cDCs promote anti-viral and T-helper 1 (Th1) cell responses, whereas IRF4-expressing cDCs have been implicated in controlling both Th2 and Th17 cell responses. Here, we have provided evidence that Kruppel-like factor 4 (Klf4) is required in IRF4-expressing cDCs to promote Th2, but not Th17, cell responses in vivo. Conditional Klf4 deletion within cDCs impaired Th2 cell responses during Schistosoma mansoni infection, Schistosoma egg antigen (SEA) immunization, and house dust mite (HDM) challenge without affecting cytotoxic T lymphocyte (CTL), Th1 cell, or Th17 cell responses to herpes simplex virus, Toxoplasma gondii, and Citrobacter rodentium infections. Further, Klf4 deletion reduced IRF4 expression in pre-cDCs and resulted in selective loss of IRF4-expressing cDCs subsets in several tissues. These results indicate that Klf4 guides a transcriptional program promoting IRF4-expressing cDCs heterogeneity.

Recent advances in sequencing technologies have initiated an era of personal genome sequences. To date, human genome sequences have been reported for individuals with ancestry in three distinct geographical regions: a Yoruba African, two individuals of northwest European origin, and a person from China. Here we provide a highly annotated, whole-genome sequence for a Korean individual, known as AK1. The genome of AK1 was determined by an exacting, combined approach that included whole-genome shotgun sequencing (27.8x coverage), targeted bacterial artificial chromosome sequencing, and high-resolution comparative genomic hybridization using custom microarrays featuring more than 24 million probes. Alignment to the NCBI reference, a composite of several ethnic clades, disclosed nearly 3.45 million single nucleotide polymorphisms (SNPs), including 10,162 non-synonymous SNPs, and 170,202 deletion or insertion polymorphisms (indels). SNP and indel densities were strongly correlated genome-wide. Applying very conservative criteria yielded highly reliable copy number variants for clinical considerations. Potential medical phenotypes were annotated for non-synonymous SNPs, coding domain indels, and structural variants. The integration of several human whole-genome sequences derived from several ethnic groups will assist in understanding genetic ancestry, migration patterns and population bottlenecks.

The transcription factors Batf3 and IRF8 are required for the development of CD8α(+) conventional dendritic cells (cDCs), but the basis for their actions has remained unclear. Here we identified two progenitor cells positive for the transcription factor Zbtb46 that separately generated CD8α(+) cDCs and CD4(+) cDCs and arose directly from the common DC progenitor (CDP). Irf8 expression in CDPs required prior autoactivation of Irf8 that was dependent on the transcription factor PU.1. Specification of the clonogenic progenitor of CD8α(+) cDCs (the pre-CD8 DC) required IRF8 but not Batf3. However, after specification of pre-CD8 DCs, autoactivation of Irf8 became Batf3 dependent at a CD8α(+) cDC-specific enhancer with multiple transcription factor AP1-IRF composite elements (AICEs) within the Irf8 superenhancer. CDPs from Batf3(-/-) mice that were specified toward development into pre-CD8 DCs failed to complete their development into CD8α(+) cDCs due to decay of Irf8 autoactivation and diverted to the CD4(+) cDC lineage.

Rapid advances in DNA sequencing promise to enable new diagnostics and individualized therapies. Achieving personalized medicine, however, will require extensive research on highly reidentifiable, integrated datasets of genomic and health information. To assist with this, participants in the Personal Genome Project choose to forgo privacy via our institutional review board- approved “open consent” process. The contribution of public data and samples facilitates both scientific discovery and standardization of methods. We present our findings after enrollment of more than 1,800 participants, including whole-genome sequencing of 10 pilot participant genomes (the PGP-10). We introduce the Genome-Environment-Trait Evidence (GET-Evidence) system. This tool automatically processes genomes and prioritizes both published and novel variants for interpretation. In the process of reviewing the presumed healthy PGP-10 genomes, we find numerous literature references implying serious disease. Although it is sometimes impossible to rule out a late-onset effect, stringent evidence requirements can address the high rate of incidental findings. To that end we develop a peer production system for recording and organizing variant evaluations according to standard evidence guidelines, creating a public forum for reaching consensus on interpretation of clinically relevant variants. Genome analysis becomes a two-step process: using a prioritized list to record variant evaluations, then automatically sorting reviewed variants using these annotations. Genome data, health and trait information, participant samples, and variant interpretations are all shared in the public domain—we invite others to review our results using our participant samples and contribute to our interpretations. We offer our public resource and methods to further personalized medical research.

Understanding the mechanism of cancer immune surveillance is crucial for precision medicine and effective immunotherapy. We report here that ZNF408, encoded by a gene linked to familial exudative vitreoretinopathy (FEVR) and autosomal recessive retinitis pigmentosa (RP), is physically associated with the SETD1A/COMPASS complex mediating histone H3 lysine 4 (H3K4) methylation in breast cancer cells. Integrative epigenomic and transcriptomic analyses reveal that ZNF408 and SETD1A share overlapped chromatin landscape and coordinately activate a cohort of genes, among which STING1 is critical in innate immune responses. ZNF408-SETD1A complex enhances STING1 expression and promotes STING-mediated anti-tumor immune responses both in vitro and in vivo. Importantly, ZNF408 expression is positively correlated with that of STING1 and negatively correlated with the histological grade of breast cancer. Our study uncovers a role for ZNF408 in cancer immune surveillance, supporting further investigations for therapeutic targeting of ZNF408-SETD1A-STING1 axis in breast carcinogenesis and other ZNF408-associated diseases including FEVR and RP.

Although overexpression of EZH2, a catalytic subunit of the polycomb repressive complex 2 (PRC2), is an eminent feature of various cancers, the regulation of its abundance and function remains insufficiently understood. We report here that the PRC2 complex is physically associated with ubiquitin-specific protease USP7 in melanoma cells where USP7 acts to deubiquitinate and stabilize EZH2. Interestingly, we found that USP7-catalyzed H2BK120 deubiquitination is a prerequisite for chromatin loading of PRC2 thus H3K27 trimethylation. Genome-wide analysis of the transcriptional targets of the USP7/PRC2 complex identified a cohort of genes including FOXO1 that are involved in cell growth and proliferation. We demonstrated that the USP7/PRC2 complex drives melanoma cell proliferation and tumorigenesis in vitro and in vivo. We showed that the expression of both USP7 and EZH2 elevates during melanoma progression, corresponding to a diminished FOXO1 expression, and the level of the expression of USP7 and EZH2 strongly correlates with histological grades and prognosis of melanoma patients. These results reveal a dual role for USP7 in the regulation of the abundance and function of EZH2, supporting the pursuit of USP7 as a therapeutic target for melanoma.