Abstract The human and mouse genomes contain instructions that specify RNAs and proteins and govern the timing, magnitude, and cellular context of their production. To better delineate these elements, phase III of the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) Project has expanded analysis of the cell and tissue repertoires of RNA transcription, chromatin structure and modification, DNA methylation, chromatin looping, and occupancy by transcription factors and RNA-binding proteins. Here we summarize these efforts, which have produced 5,992 new experimental datasets, including systematic determinations across mouse fetal development. All data are available through the ENCODE data portal ( https://www.encodeproject.org ), including phase II ENCODE 1 and Roadmap Epigenomics 2 data. We have developed a registry of 926,535 human and 339,815 mouse candidate cis -regulatory elements, covering 7.9 and 3.4% of their respective genomes, by integrating selected datatypes associated with gene regulation, and constructed a web-based server (SCREEN; http://screen.encodeproject.org ) to provide flexible, user-defined access to this resource. Collectively, the ENCODE data and registry provide an expansive resource for the scientific community to build a better understanding of the organization and function of the human and mouse genomes.

Multiple myeloma is an incurable malignancy of plasma cells, and its pathogenesis is poorly understood. Here we report the massively parallel sequencing of 38 tumour genomes and their comparison to matched normal DNAs. Several new and unexpected oncogenic mechanisms were suggested by the pattern of somatic mutation across the data set. These include the mutation of genes involved in protein translation (seen in nearly half of the patients), genes involved in histone methylation, and genes involved in blood coagulation. In addition, a broader than anticipated role of NF-κB signalling was indicated by mutations in 11 members of the NF-κB pathway. Of potential immediate clinical relevance, activating mutations of the kinase BRAF were observed in 4% of patients, suggesting the evaluation of BRAF inhibitors in multiple myeloma clinical trials. These results indicate that cancer genome sequencing of large collections of samples will yield new insights into cancer not anticipated by existing knowledge. Multiple myeloma, a malignancy of plasma cells, remains incurable and is poorly understood. Chapman et al. have used next-generation sequencing to compare 38 multiple myeloma genomes with those of normal cells from the same patients. The disease involves mutations of genes with roles in protein translation, histone methylation and blood coagulation. In terms of clinically relevant findings, unexpected activating mutations were found in the kinase BRAF, inhibitors of which have recently shown dramatic clinical activity. This suggests that BRAF inhibitors should be evaluated in patients with BRAF-mutated multiple myeloma. Multiple myeloma, a malignancy of plasma cells, remains incurable and is poorly understood. Using next-generation sequencing of several multiple myeloma genomes reveals that this disease involves mutations of genes involved in protein translation, histone methylation and blood coagulation. The study suggests that BRAF inhibitors should be evaluated in multiple myeloma clinical trials.

Prostate cancer is the second most common cause of male cancer deaths in the United States. However, the full range of prostate cancer genomic alterations is incompletely characterized. Here we present the complete sequence of seven primary human prostate cancers and their paired normal counterparts. Several tumours contained complex chains of balanced (that is, 'copy-neutral') rearrangements that occurred within or adjacent to known cancer genes. Rearrangement breakpoints were enriched near open chromatin, androgen receptor and ERG DNA binding sites in the setting of the ETS gene fusion TMPRSS2-ERG, but inversely correlated with these regions in tumours lacking ETS fusions. This observation suggests a link between chromatin or transcriptional regulation and the genesis of genomic aberrations. Three tumours contained rearrangements that disrupted CADM2, and four harboured events disrupting either PTEN (unbalanced events), a prostate tumour suppressor, or MAGI2 (balanced events), a PTEN interacting protein not previously implicated in prostate tumorigenesis. Thus, genomic rearrangements may arise from transcriptional or chromatin aberrancies and engage prostate tumorigenic mechanisms.

Gain-of-function IDH mutations are initiating events that define major clinical and prognostic classes of gliomas. Mutant IDH protein produces a new onco-metabolite, 2-hydroxyglutarate, which interferes with iron-dependent hydroxylases, including the TET family of 5'-methylcytosine hydroxylases. TET enzymes catalyse a key step in the removal of DNA methylation. IDH mutant gliomas thus manifest a CpG island methylator phenotype (G-CIMP), although the functional importance of this altered epigenetic state remains unclear. Here we show that human IDH mutant gliomas exhibit hypermethylation at cohesin and CCCTC-binding factor (CTCF)-binding sites, compromising binding of this methylation-sensitive insulator protein. Reduced CTCF binding is associated with loss of insulation between topological domains and aberrant gene activation. We specifically demonstrate that loss of CTCF at a domain boundary permits a constitutive enhancer to interact aberrantly with the receptor tyrosine kinase gene PDGFRA, a prominent glioma oncogene. Treatment of IDH mutant gliomaspheres with a demethylating agent partially restores insulator function and downregulates PDGFRA. Conversely, CRISPR-mediated disruption of the CTCF motif in IDH wild-type gliomaspheres upregulates PDGFRA and increases proliferation. Our study suggests that IDH mutations promote gliomagenesis by disrupting chromosomal topology and allowing aberrant regulatory interactions that induce oncogene expression.

Whole-genome sequencing of 25 metastatic melanomas and matched germline DNA in humans reveals that the highest mutation load is associated with chronic sun exposure, and that the PREX2 gene is mutated in approximately 14 per cent of cases Melanoma is a highly metastatic cancer, characterized by high lethality and rapid development of resistance to treatment. Whole-genome sequencing of 25 metastatic melanomas and matched germline DNA reveals that the mutation rate varies widely, with the highest mutation load associated with chronic exposure to sunlight. PREX2 — a PTEN-interacting protein previously implicated in breast cancer — is mutated in approximately 14% of cases. Although the precise role of PREX2 in melanoma remains to be elucidated, ectopic expression of its mutant form accelerates tumour formation of immortalized human melanocytes in vivo. Melanoma is notable for its metastatic propensity, lethality in the advanced setting and association with ultraviolet exposure early in life1. To obtain a comprehensive genomic view of melanoma in humans, we sequenced the genomes of 25 metastatic melanomas and matched germline DNA. A wide range of point mutation rates was observed: lowest in melanomas whose primaries arose on non-ultraviolet-exposed hairless skin of the extremities (3 and 14 per megabase (Mb) of genome), intermediate in those originating from hair-bearing skin of the trunk (5–55 per Mb), and highest in a patient with a documented history of chronic sun exposure (111 per Mb). Analysis of whole-genome sequence data identified PREX2 (phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate-dependent Rac exchange factor 2)—a PTEN-interacting protein and negative regulator of PTEN in breast cancer2—as a significantly mutated gene with a mutation frequency of approximately 14% in an independent extension cohort of 107 human melanomas. PREX2 mutations are biologically relevant, as ectopic expression of mutant PREX2 accelerated tumour formation of immortalized human melanocytes in vivo. Thus, whole-genome sequencing of human melanoma tumours revealed genomic evidence of ultraviolet pathogenesis and discovered a new recurrently mutated gene in melanoma.

Inflammation is a beneficial host response to infection but can contribute to inflammatory disease if unregulated. The Th17 lineage of T helper (Th) cells can cause severe human inflammatory diseases. These cells exhibit both instability (they can cease to express their signature cytokine, IL-17A) and plasticity (they can start expressing cytokines typical of other lineages) upon in vitro re-stimulation. However, technical limitations have prevented the transcriptional profiling of pre- and post-conversion Th17 cells ex vivo during immune responses. Thus, it is unknown whether Th17 cell plasticity merely reflects change in expression of a few cytokines, or if Th17 cells physiologically undergo global genetic reprogramming driving their conversion from one T helper cell type to another, a process known as transdifferentiation. Furthermore, although Th17 cell instability/plasticity has been associated with pathogenicity, it is unknown whether this could present a therapeutic opportunity, whereby formerly pathogenic Th17 cells could adopt an anti-inflammatory fate. Here we used two new fate-mapping mouse models to track Th17 cells during immune responses to show that CD4(+) T cells that formerly expressed IL-17A go on to acquire an anti-inflammatory phenotype. The transdifferentiation of Th17 into regulatory T cells was illustrated by a change in their signature transcriptional profile and the acquisition of potent regulatory capacity. Comparisons of the transcriptional profiles of pre- and post-conversion Th17 cells also revealed a role for canonical TGF-β signalling and consequently for the aryl hydrocarbon receptor (AhR) in conversion. Thus, Th17 cells transdifferentiate into regulatory cells, and contribute to the resolution of inflammation. Our data suggest that Th17 cell instability and plasticity is a therapeutic opportunity for inflammatory diseases.

We introduce Pathifier, an algorithm that infers pathway deregulation scores for each tumor sample on the basis of expression data. This score is determined, in a context-specific manner, for every particular dataset and type of cancer that is being investigated. The algorithm transforms gene-level information into pathway-level information, generating a compact and biologically relevant representation of each sample. We demonstrate the algorithm’s performance on three colorectal cancer datasets and two glioblastoma multiforme datasets and show that our multipathway-based representation is reproducible, preserves much of the original information, and allows inference of complex biologically significant information. We discovered several pathways that were significantly associated with survival of glioblastoma patients and two whose scores are predictive of survival in colorectal cancer: CXCR3-mediated signaling and oxidative phosphorylation. We also identified a subclass of proneural and neural glioblastoma with significantly better survival, and an EGF receptor-deregulated subclass of colon cancers.