Intratumor heterogeneity may foster tumor evolution and adaptation and hinder personalized-medicine strategies that depend on results from single tumor-biopsy samples.

We report the generation and analysis of functional data from multiple, diverse experiments performed on a targeted 1% of the human genome as part of the pilot phase of the ENCODE Project. These data have been further integrated and augmented by a number of evolutionary and computational analyses. Together, our results advance the collective knowledge about human genome function in several major areas. First, our studies provide convincing evidence that the genome is pervasively transcribed, such that the majority of its bases can be found in primary transcripts, including non-protein-coding transcripts, and those that extensively overlap one another. Second, systematic examination of transcriptional regulation has yielded new understanding about transcription start sites, including their relationship to specific regulatory sequences and features of chromatin accessibility and histone modification. Third, a more sophisticated view of chromatin structure has emerged, including its inter-relationship with DNA replication and transcriptional regulation. Finally, integration of these new sources of information, in particular with respect to mammalian evolution based on inter- and intra-species sequence comparisons, has yielded new mechanistic and evolutionary insights concerning the functional landscape of the human genome. Together, these studies are defining a path for pursuit of a more comprehensive characterization of human genome function. The ENCODE project — standing for ENCyclopedia Of DNA Elements — has set out to identify all the functional elements in the human genome. With the genome sequence now established, the next challenge is to discover how the cell actually uses it as an instruction manual. The ENCODE consortium has completed the 'proof-of-principle' pilot phase of the project, an analysis of functional elements in a targeted 1% of the human genome. The results, published this week, suggest that most bases in the genome are found in primary transcripts, including non-protein-coding transcripts and those that overlap. Examination of transcriptional regulation has yielded new understanding about transcription start sites, and a more sophisticated view about chromatin structure. Integration of these data, in particular with respect to mammalian evolution, reveals new insights about how the information coded in the DNA blueprint is turned into functioning systems in the living cell. The next step after sequencing a genome is to figure out how the cell actually uses it as an instruction manual. A large international consortium has examined 1% of the genome for what part is transcribed, where proteins are bound, what the chromatin structure looks like, and how the sequence compares to that of other organisms.

A high-quality sequence assembly of the zebrafish genome reveals the largest gene set of any vertebrate and provides information on key genomic features, and comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human protein-coding genes have at least one clear zebrafish orthologue. The genome of the zebrafish — a key model organism for the study of development and human disease — has now been sequenced and published as a well-annotated reference genome. Zebrafish turns out to have the largest gene set of any vertebrate so far sequenced, and few pseudogenes. Importantly for disease studies, comparison between human and zebrafish sequences reveals that 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. A second paper reports on an ongoing effort to identify and phenotype disruptive mutations in every zebrafish protein-coding gene. Using the reference genome sequence along with high-throughput sequencing and efficient chemical mutagenesis, the project's initial results — covering 38% of all known protein-coding genes — they describe phenotypic consequences of more than 1,000 alleles. The long-term goal is the creation of a knockout allele in every protein-coding gene in the zebrafish genome. All mutant alleles and data are freely available at go.nature.com/en6mos . Zebrafish have become a popular organism for the study of vertebrate gene function1,2. The virtually transparent embryos of this species, and the ability to accelerate genetic studies by gene knockdown or overexpression, have led to the widespread use of zebrafish in the detailed investigation of vertebrate gene function and increasingly, the study of human genetic disease3,4,5. However, for effective modelling of human genetic disease it is important to understand the extent to which zebrafish genes and gene structures are related to orthologous human genes. To examine this, we generated a high-quality sequence assembly of the zebrafish genome, made up of an overlapping set of completely sequenced large-insert clones that were ordered and oriented using a high-resolution high-density meiotic map. Detailed automatic and manual annotation provides evidence of more than 26,000 protein-coding genes6, the largest gene set of any vertebrate so far sequenced. Comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. In addition, the high quality of this genome assembly provides a clearer understanding of key genomic features such as a unique repeat content, a scarcity of pseudogenes, an enrichment of zebrafish-specific genes on chromosome 4 and chromosomal regions that influence sex determination.

Charles Swanton and colleagues used multiregion exome sequencing to study the evolutionary histories of ten clear cell renal cell carcinomas. They observed marked intratumoral heterogeneity in all cases, with extensive evidence of parallel evolution of tumor subclones and only a small number of truncal driver events. Clear cell renal carcinomas (ccRCCs) can display intratumor heterogeneity (ITH). We applied multiregion exome sequencing (M-seq) to resolve the genetic architecture and evolutionary histories of ten ccRCCs. Ultra-deep sequencing identified ITH in all cases. We found that 73–75% of identified ccRCC driver aberrations were subclonal, confounding estimates of driver mutation prevalence. ITH increased with the number of biopsies analyzed, without evidence of saturation in most tumors. Chromosome 3p loss and VHL aberrations were the only ubiquitous events. The proportion of C>T transitions at CpG sites increased during tumor progression. M-seq permits the temporal resolution of ccRCC evolution and refines mutational signatures occurring during tumor development.

Background: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a severe lung condition with an unmet clinical need. Endothelial damage is followed by excessive repair and narrowing of lung arteries, but the mechanisms are unclear. Methods: We investigated the role of Kruppel-like transcription factor 6 (KLF6), known for its involvement in tissue injury response and cancer onset, in PAH through functional and expression analyses of human pulmonary artery endothelial cells (HPAECs) and PAH lung tissues. KLF6 activation patterns and transcriptional programs were compared with those regulated by KLF2 and KLF4, previously linked to PAH. Results: KLF6 expression increased due to hypoxic and inflammatory triggers in early rodent PAH. KLF6 overexpression improved endothelial survival and induced angiogenesis in cultured HPAECs and human pulmonary arterial explants. Transcriptomic analysis of KLF6-overexpressing HPAECs revealed its role in regulating endothelial homeostasis and expression of arterial identity genes, such as SOX17, ERG, BMPR2, KDR, TEK, ENG, ACVRL1 and CDH5. DisGeNET analysis showed a significant association of KLF6-regulated genes with PAH. Spatial transcriptomic analysis of PAH lung vascular tissues (n=6/group) revealed significant enrichment of KLF6-regulated genes in angiogenesis, cell motility, VEGFR signalling, and extracellular matrix organization. KLF6+ Erg+ vWF+ cells accumulated in vascular channels of remodelled PAH lungs and. KLF6 expression was elevated in PAH blood-derived endothelial progenitor cells (n=5) and pulmonary arterial cells in PAH associated with Alveolar Capillary Dysplasia. Conclusions: KLF6 uniquely orchestrates endothelial repair but its sustained activation promotes development of the apoptosis-resistant, angio-proliferative vascular phenotype in human PAH. Dysregulation of KLF6 signalling may have broader implications for pulmonary vascular disease.