Gilean McVean and colleagues report the results of a large-scale clinical genome sequencing project spanning a broad spectrum of disorders. They identify factors influencing successful genetic diagnosis and highlight the challenges of interpreting findings for genetically heterogeneous disorders. To assess factors influencing the success of whole-genome sequencing for mainstream clinical diagnosis, we sequenced 217 individuals from 156 independent cases or families across a broad spectrum of disorders in whom previous screening had identified no pathogenic variants. We quantified the number of candidate variants identified using different strategies for variant calling, filtering, annotation and prioritization. We found that jointly calling variants across samples, filtering against both local and external databases, deploying multiple annotation tools and using familial transmission above biological plausibility contributed to accuracy. Overall, we identified disease-causing variants in 21% of cases, with the proportion increasing to 34% (23/68) for mendelian disorders and 57% (8/14) in family trios. We also discovered 32 potentially clinically actionable variants in 18 genes unrelated to the referral disorder, although only 4 were ultimately considered reportable. Our results demonstrate the value of genome sequencing for routine clinical diagnosis but also highlight many outstanding challenges.

Despite biomarker stratification, the anti-EGFR antibody cetuximab is only effective against a subgroup of colorectal cancers (CRCs). This genomic and transcriptomic analysis of the cetuximab resistance landscape in 35 RAS wild-type CRCs identified associations of NF1 and non-canonical RAS/RAF aberrations with primary resistance and validated transcriptomic CRC subtypes as non-genetic predictors of benefit. Sixty-four percent of biopsies with acquired resistance harbored no genetic resistance drivers. Most of these had switched from a cetuximab-sensitive transcriptomic subtype at baseline to a fibroblast- and growth factor-rich subtype at progression. Fibroblast-supernatant conferred cetuximab resistance in vitro, confirming a major role for non-genetic resistance through stromal remodeling. Cetuximab treatment increased cytotoxic immune infiltrates and PD-L1 and LAG3 immune checkpoint expression, potentially providing opportunities to treat cetuximab-resistant CRCs with immunotherapy.

Corpus callosum malformations are associated with a broad range of neurodevelopmental diseases. We report that de novo mutations in MAST1 cause mega-corpus-callosum syndrome with cerebellar hypoplasia and cortical malformations (MCC-CH-CM) in the absence of megalencephaly. We show that MAST1 is a microtubule-associated protein that is predominantly expressed in post-mitotic neurons and is present in both dendritic and axonal compartments. We further show that Mast1 null animals are phenotypically normal, whereas the deletion of a single amino acid (L278del) recapitulates the distinct neurological phenotype observed in patients. In animals harboring Mast1 microdeletions, we find that the PI3K/AKT3/mTOR pathway is unperturbed, whereas Mast2 and Mast3 levels are diminished, indicative of a dominant-negative mode of action. Finally, we report that de novo MAST1 substitutions are present in patients with autism and microcephaly, raising the prospect that mutations in this gene give rise to a spectrum of neurodevelopmental diseases.

Cancer somatic mutations have been identified as a source of antigens that can be targeted by cancer immunotherapy. In this work, expanding on previous studies, we analyse the immunogenic properties of mutations that are known to drive resistance to cancer targeted-therapies. We survey a large dataset of mutations that confer resistance to different drugs and occur in numerous genes and tumour types. We show that a significant number of these mutations are predicted in silico to have immunogenic potential across a large proportion of the human population. Two of these mutations had previously been experimentally validated and it was confirmed that some of their associated neopeptides elicit T-cell responses in vitro. The identification of potent cancer-specific antigens can be instrumental for developing more effective immunotherapies. Resistance mutations, several of which are known to recur in different patients, could be of particular interest in the context of off-the-shelf precision immunotherapies such as therapeutic cancer vaccines.

Mismatch repair deficient (dMMR) gastro-oesophageal adenocarcinomas (GOAs) show better outcomes than their MMR-proficient counterparts and high immunotherapy sensitivity. The hypermutator-phenotype of dMMR tumours theoretically enables high evolvability but how these cancers evolve has not been investigated in detail. We applied multi-region exome sequencing (MSeq) to four treatment-naive dMMR GOAs. This revealed extreme intratumour heterogeneity (ITH), exceeding ITH in other cancer types >20-fold, but also long phylogenetic trunks which may explain the exquisite immunotherapy sensitivity of dMMR tumours. Subclonal driver mutations were common and parallel evolution occurred in RAS, PIK3CA, SWI/SNF-complex genes and in immune evasion regulators. MSeq data and evolution analysis of single region-data from 64 MSI GOAs showed that chromosome 8 gains were among the earliest genetic events and that the hypermutator-phenotype remained active during progression. MSeq may be necessary for biomarker development in these heterogeneous cancers. Comparison with other MSeq-analysed tumour types revealed mutation rates and their timing as major determinants of phylogenetic tree morphologies.

Abstract Despite initial responses to hormone treatment, metastatic prostate cancer invariably evolves to a lethal state. To characterize the intra-patient relationships of metastases that evade treatment, we performed genomewide copy number profiling and bespoke approaches targeting the androgen receptor (AR) on 142 metastatic regions from 10 organs harvested post-mortem from nine men who died from prostate cancer. We identified diverse and patient-unique alterations clustering around the AR in metastases from every patient with evidence of independent acquisition of related genomic changes within an individual and, in some patients, the co-existence of AR -neutral clones. Using the genomic boundaries of pan-autosome copy number change, we confirmed a common clone of origin across metastases and diagnostic biopsies; and identified in individual patients, clusters of metastases occupied by dominant clones with diverged autosomal copy number alterations. Autosome-defined clusters were characterized by cluster-specific AR gene architectures that in two index cases were topologically more congruent than by chance ( p -values 0.03, 3.07×10 -8 ). Integration with anatomical site suggested patterns of spread and points of genomic divergence. Copy number boundaries identified treatment-selected clones with putatively distinct lethal trajectories. Statement of significance Lethal prostate cancer evolves from a single clone of origin and upon a treatment-mediated selection, progresses to lethal disease via a limited number of related clones harboring patient-unique androgen receptor gene architectures.

Background Targeted deep sequencing is a highly effective technology to identify known and novel single nucleotide variants (SNVs) with many applications in translational medicine, disease monitoring and cancer profiling. However, identification of SNVs using deep sequencing data is a challenging computational problem as different sequencing artifacts limit the analytical sensitivity of SNV detection, especially at low variant allele frequencies (VAFs).Methods To address the problem of relatively high noise levels in amplicon-based deep sequencing data (e.g. with the Ion AmpliSeq technology) in the context of SNV calling, we have developed a new bioinformatics tool called AmpliSolve. AmpliSolve uses a set of normal samples to model position-specific, strand-specific and nucleotide-specific background artifacts (noise), and deploys a Poisson model-based statistical framework for SNV detection.Results Our tests on both synthetic and real data indicate that AmpliSolve achieves a good trade-off between precision and sensitivity, even at VAF below 5% and as low as 1%. We further validate AmpliSolve by applying it to the detection of SNVs in 96 circulating tumor DNA samples at three clinically relevant genomic positions and compare the results to digital droplet PCR experiments.Conclusions AmpliSolve is a new tool for in-silico estimation of background noise and for detection of low frequency SNVs in targeted deep sequencing data. Although AmpliSolve has been specifically designed for and tested on amplicon-based libraries sequenced with the Ion Torrent platform it can, in principle, be applied to other sequencing platforms as well. AmpliSolve is freely available at .

Uveal melanoma (UM) is the most common ocular malignancy in adults. Nearly 95% of UM patients carry the mutually exclusive mutations in the homologous genes GNAQ (aminoacid change Q209L/Q209P) and GNA11 (aminoacid change Q209L). UM is located in an immunosuppressed organ and do not suffer immunoediting. Therefore, we hypothesize that driver mutations in GNAQ/11 genes could be recognized by the immune system. Genomic and transcriptomic data for primary uveal tumors was collected from TCGA-UM dataset (n=80). The immunogenic potential for GNAQ/GNA11 Q209L/Q209P mutations was assessed using a variety of tools and HLA types information. The immune microenvironment was characterized using gene expression data. All prediction tools showed stronger GNAQ/11 Q209L binding to HLA. The immunogenicity analysis revealed that Q209L is likely to be presented by more than 73% of individuals in 1000G database whereas Q209P is only predicted to be presented in 24% of individuals. GNAQ/11 Q209L showed higher likelihood to be presented by HLA-I molecules than almost all driver mutations analyzed. Samples carrying Q209L had a higher immune-reactive phenotype: (i) expression of antigen presenting genes HLA-A (p=0.009) and B2M (p=0.043); (ii) immunophenoscore (p=0.008); (iii) infiltration of immune system cells NK (p=0.002) and CD8+ T lymphocytes (p=0.02). Results suggest a high potential immunogenicity of the GNAQ/11 Q209L variant that could allow the generation of novel therapeutic tools to treat UM like neoantigen vaccinations.