Various species of the intestinal microbiota have been associated with the development of colorectal cancer1,2, but it has not been demonstrated that bacteria have a direct role in the occurrence of oncogenic mutations. Escherichia coli can carry the pathogenicity island pks, which encodes a set of enzymes that synthesize colibactin3. This compound is believed to alkylate DNA on adenine residues4,5 and induces double-strand breaks in cultured cells3. Here we expose human intestinal organoids to genotoxic pks+ E. coli by repeated luminal injection over five months. Whole-genome sequencing of clonal organoids before and after this exposure revealed a distinct mutational signature that was absent from organoids injected with isogenic pks-mutant bacteria. The same mutational signature was detected in a subset of 5,876 human cancer genomes from two independent cohorts, predominantly in colorectal cancer. Our study describes a distinct mutational signature in colorectal cancer and implies that the underlying mutational process results directly from past exposure to bacteria carrying the colibactin-producing pks pathogenicity island. Organoids derived from human intestinal cells that are co-cultured with bacteria carrying the genotoxic pks+ island develop a distinct mutational signature associated with colorectal cancer.

Most patients with rare diseases do not receive a molecular diagnosis and the aetiological variants and causative genes for more than half such disorders remain to be discovered1. Here we used whole-genome sequencing (WGS) in a national health system to streamline diagnosis and to discover unknown aetiological variants in the coding and non-coding regions of the genome. We generated WGS data for 13,037 participants, of whom 9,802 had a rare disease, and provided a genetic diagnosis to 1,138 of the 7,065 extensively phenotyped participants. We identified 95 Mendelian associations between genes and rare diseases, of which 11 have been discovered since 2015 and at least 79 are confirmed to be aetiological. By generating WGS data of UK Biobank participants2, we found that rare alleles can explain the presence of some individuals in the tails of a quantitative trait for red blood cells. Finally, we identified four novel non-coding variants that cause disease through the disruption of transcription of ARPC1B, GATA1, LRBA and MPL. Our study demonstrates a synergy by using WGS for diagnosis and aetiological discovery in routine healthcare. Whole-genome sequencing and phenotype data sharing are introduced in a national health system to streamline diagnosis and to discover coding and non-coding variants that cause rare diseases.

Inherited retinal disease is a common cause of visual impairment and represents a highly heterogeneous group of conditions. Here, we present findings from a cohort of 722 individuals with inherited retinal disease, who have had whole-genome sequencing (n = 605), whole-exome sequencing (n = 72), or both (n = 45) performed, as part of the NIHR-BioResource Rare Diseases research study. We identified pathogenic variants (single-nucleotide variants, indels, or structural variants) for 404/722 (56%) individuals. Whole-genome sequencing gives unprecedented power to detect three categories of pathogenic variants in particular: structural variants, variants in GC-rich regions, which have significantly improved coverage compared to whole-exome sequencing, and variants in non-coding regulatory regions. In addition to previously reported pathogenic regulatory variants, we have identified a previously unreported pathogenic intronic variant in CHM in two males with choroideremia. We have also identified 19 genes not previously known to be associated with inherited retinal disease, which harbor biallelic predicted protein-truncating variants in unsolved cases. Whole-genome sequencing is an increasingly important comprehensive method with which to investigate the genetic causes of inherited retinal disease.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder with a poor prognosis. Deleterious variation within components of the transforming growth factor-β pathway, particularly the bone morphogenetic protein type 2 receptor (BMPR2), underlies most heritable forms of PAH. To identify the missing heritability we perform whole-genome sequencing in 1038 PAH index cases and 6385 PAH-negative control subjects. Case-control analyses reveal significant overrepresentation of rare variants in ATP13A3, AQP1 and SOX17, and provide independent validation of a critical role for GDF2 in PAH. We demonstrate familial segregation of mutations in SOX17 and AQP1 with PAH. Mutations in GDF2, encoding a BMPR2 ligand, lead to reduced secretion from transfected cells. In addition, we identify pathogenic mutations in the majority of previously reported PAH genes, and provide evidence for further putative genes. Taken together these findings contribute new insights into the molecular basis of PAH and indicate unexplored pathways for therapeutic intervention.

The U.K. 100,000 Genomes Project is in the process of investigating the role of genome sequencing in patients with undiagnosed rare diseases after usual care and the alignment of this research with health care implementation in the U.K. National Health Service. Other parts of this project focus on patients with cancer and infection.

Abstract Intrahepatic cholestasis of pregnancy (ICP) is a pregnancy-specific liver disorder affecting 0.5–2% of pregnancies. The majority of cases present in the third trimester with pruritus, elevated serum bile acids and abnormal serum liver tests. ICP is associated with an increased risk of adverse outcomes, including spontaneous preterm birth and stillbirth. Whilst rare mutations affecting hepatobiliary transporters contribute to the aetiology of ICP, the role of common genetic variation in ICP has not been systematically characterised to date. Here, we perform genome-wide association studies (GWAS) and meta-analyses for ICP across three studies including 1138 cases and 153,642 controls. Eleven loci achieve genome-wide significance and have been further investigated and fine-mapped using functional genomics approaches. Our results pinpoint common sequence variation in liver-enriched genes and liver-specific cis -regulatory elements as contributing mechanisms to ICP susceptibility.

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a major contributor to treatment resistance and poor outcome for patients with cancer 1,2 . Here we examine the diversity of ecDNA elements across cancer, revealing the associated tissue, genetic and mutational contexts. By analysing data from 14,778 patients with 39 tumour types from the 100,000 Genomes Project, we demonstrate that 17.1% of tumour samples contain ecDNA. We reveal a pattern highly indicative of tissue-context-based selection for ecDNAs, linking their genomic content to their tissue of origin. We show that not only is ecDNA a mechanism for amplification of driver oncogenes, but it also a mechanism that frequently amplifies immunomodulatory and inflammatory genes, such as those that modulate lymphocyte-mediated immunity and immune effector processes. Moreover, ecDNAs carrying immunomodulatory genes are associated with reduced tumour T cell infiltration. We identify ecDNAs bearing only enhancers, promoters and lncRNA elements, suggesting the combinatorial power of interactions between ecDNAs in trans . We also identify intrinsic and environmental mutational processes linked to ecDNA, including those linked to its formation, such as tobacco exposure, and progression, such as homologous recombination repair deficiency. Clinically, ecDNA detection was associated with tumour stage, more prevalent after targeted therapy and cytotoxic treatments, and associated with metastases and shorter overall survival. These results shed light on why ecDNA is a substantial clinical problem that can cooperatively drive tumour growth signals, alter transcriptional landscapes and suppress the immune system.

Background: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder leading to premature death. Rare genetic variants contribute to disease etiology but the contribution of common genetic variation to disease risk and outcome remains poorly characterized. Methods: We performed two separate genome-wide association studies of PAH using data across 11,744 European-ancestry individuals (including 2,085 patients), one with genotypes from 5,895 whole genome sequences and another with genotyping array data from 5,849 further samples. Cross-validation of loci reaching genome-wide significance was sought by meta-analysis. We functionally annotated associated variants and tested associations with duration of survival. Findings: A locus at HLA-DPA1/DPB1 within the class II major histocompatibility (MHC) region and a second near SOX17 were significantly associated with PAH. The SOX17 locus contained two independent signals associated with PAH. Functional and epigenomic data indicate that the risk variants near SOX17 alter gene regulation via an enhancer active in endothelial cells. PAH risk variants determined haplotype-specific enhancer activity and CRISPR-inhibition of the enhancer reduced SOX17 expression. Analysis of median survival showed that PAH patients with two copies of the HLA-DPA1/DPB1 risk variant had a two-fold difference (>16 years versus 8 years), compared to patients homozygous for the alternative allele. Interpretation: We have found that common genetic variation at loci in HLA-DPA1/DPB1 and an enhancer near SOX17 are associated with PAH. Impairment of Sox17 function may be more common in PAH than suggested by rare mutations in SOX17. Allelic variation at HLA-DPB1 stratifies PAH patients for survival following diagnosis, with implications for future therapeutic trial design. Funding: UK NIHR, BHF, UK MRC, Dinosaur Trust, NIH/NHLBI, ERS, EMBO, Wellcome Trust, EU, AHA, ACClinPharm, Netherlands CVRI, Dutch Heart Foundation, Dutch Federation of UMC, Netherlands OHRD and RNAS, German DFG, German BMBF, APH Paris, Inserm, Universite Paris-Sud, and French ANR.

Abstract Alpha-tubulin 4A encoding gene (TUBA4A) has been associated with familial amyotrophic lateral sclerosis (fALS) and fronto-temporal dementia (FTD), based on identification of likely pathogenic variants in patients from distinct ALS and FTD cohorts. By screening a multicentric French cohort of 448 unrelated probands presenting with cerebellar ataxia, we identified ultra-rare TUBA4A missense variants, all being absent from public databases and predicted pathogenic by multiple in-silico tools. In addition, gene burden analyses in the 100,000 genomes project (100KGP) showed enrichment of TUBA4A rare variants in the inherited ataxia group compared to controls (OR: 57.0847 [10.2- 576.7]; p = 4.02 x10-07). Altogether, we report 12 patients presenting with spasticity and/or cerebellar ataxia and harboring a predicted pathogenic TUBA4A missense mutation, including 5 confirmed de novo cases and a mutation previously reported in a large family presenting with spastic ataxia. Cultured fibroblasts from 3 patients harboring distinct TUBA4A missense showed significant alterations in microtubule organisation and dynamics, providing insight of TUBA4A variants pathogenicity. Our data confirm the identification of a hereditary spastic ataxia disease gene with variable age of onset, expanding the clinical spectrum of TUBA4A associated phenotypes.

Background: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder leading to premature death. Rare genetic variants contribute to disease etiology but the contribution of common genetic variation to disease risk and outcome remains poorly characterized. Methods: We performed two separate genome-wide association studies of PAH using data across 11,744 European-ancestry individuals (including 2,085 patients), one with genotypes from 5,895 whole genome sequences and another with genotyping array data from 5,849 further samples. Cross-validation of loci reaching genome-wide significance was sought by meta-analysis. We functionally annotated associated variants and tested associations with duration of survival. Findings: A locus at HLA-DPA1/DPB1 within the class II major histocompatibility (MHC) region and a second near SOX17 were significantly associated with PAH. The SOX17 locus contained two independent signals associated with PAH. Functional and epigenomic data indicate that the risk variants near SOX17 alter gene regulation via an enhancer active in endothelial cells. PAH risk variants determined haplotype-specific enhancer activity and CRISPR-inhibition of the enhancer reduced SOX17 expression. Analysis of median survival showed that PAH patients with two copies of the HLA-DPA1/DPB1 risk variant had a two-fold difference (>16 years versus 8 years), compared to patients homozygous for the alternative allele. Interpretation: We have found that common genetic variation at loci in HLA-DPA1/DPB1 and an enhancer near SOX17 are associated with PAH. Impairment of Sox17 function may be more common in PAH than suggested by rare mutations in SOX17. Allelic variation at HLA-DPB1 stratifies PAH patients for survival following diagnosis, with implications for future therapeutic trial design. Funding: UK NIHR, BHF, UK MRC, Dinosaur Trust, NIH/NHLBI, ERS, EMBO, Wellcome Trust, EU, AHA, ACClinPharm, Netherlands CVRI, Dutch Heart Foundation, Dutch Federation of UMC, Netherlands OHRD and RNAS, German DFG, German BMBF, APH Paris, Inserm, Universite Paris-Sud, and French ANR.