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.

Abstract Critical COVID-19 is caused by immune-mediated inflammatory lung injury. Host genetic variation influences the development of illness requiring critical care 1 or hospitalization 2–4 after infection with SARS-CoV-2. The GenOMICC (Genetics of Mortality in Critical Care) study enables the comparison of genomes from individuals who are critically ill with those of population controls to find underlying disease mechanisms. Here we use whole-genome sequencing in 7,491 critically ill individuals compared with 48,400 controls to discover and replicate 23 independent variants that significantly predispose to critical COVID-19. We identify 16 new independent associations, including variants within genes that are involved in interferon signalling ( IL10RB and PLSCR1 ), leucocyte differentiation ( BCL11A ) and blood-type antigen secretor status ( FUT2 ). Using transcriptome-wide association and colocalization to infer the effect of gene expression on disease severity, we find evidence that implicates multiple genes—including reduced expression of a membrane flippase ( ATP11A ), and increased expression of a mucin ( MUC1 )—in critical disease. Mendelian randomization provides evidence in support of causal roles for myeloid cell adhesion molecules ( SELE , ICAM5 and CD209 ) and the coagulation factor F8 , all of which are potentially druggable targets. Our results are broadly consistent with a multi-component model of COVID-19 pathophysiology, in which at least two distinct mechanisms can predispose to life-threatening disease: failure to control viral replication; or an enhanced tendency towards pulmonary inflammation and intravascular coagulation. We show that comparison between cases of critical illness and population controls is highly efficient for the detection of therapeutically relevant mechanisms of disease.

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.

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.