Mutation of isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) is shown to induce DNA hypermethylation and to remodel the epigenome to resemble that of gliomas with the CpG island methylator phenotype. Mutations in the isocitrate dehydrogenase genes IDH1 and IDH2 have been identified in gliomas, the most common form of brain tumour, and in other cancers including leukaemias. The mutated enzymes produce 2-hydroxyglutarate (2HG), which is a potential oncometabolite. Three papers in this issue of Nature examine the mechanisms through which IDH mutations promote cancers. Lu et al. show that 2HG-producing IDH mutants can prevent the histone demethylation that is required for progenitor cells to differentiate, potentially contributing to tumour-cell accumulation. Turcan et al. show that IDH1 mutation in primary human astrocytes induces DNA hypermethylation and reshapes the methylome to resemble that of the CIMP phenotype, a common feature of gliomas and other solid tumours. Koivunen et al. show that the (R)-enantiomer of 2HG (but not the (S)-enantiomer) can stimulate the activity of the EGLN prolyl 4-hydroxylases, leading to diminished levels of hypoxia-inducible factor (HIF), which in turn can enhance cell proliferation. These papers establish a framework for understanding gliomagenesis and highlight the interplay between genomic and epigenomic changes in human cancers. Both genome-wide genetic and epigenetic alterations are fundamentally important for the development of cancers, but the interdependence of these aberrations is poorly understood. Glioblastomas and other cancers with the CpG island methylator phenotype (CIMP) constitute a subset of tumours with extensive epigenomic aberrations and a distinct biology1,2,3. Glioma CIMP (G-CIMP) is a powerful determinant of tumour pathogenicity, but the molecular basis of G-CIMP remains unresolved. Here we show that mutation of a single gene, isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1), establishes G-CIMP by remodelling the methylome. This remodelling results in reorganization of the methylome and transcriptome. Examination of the epigenome of a large set of intermediate-grade gliomas demonstrates a distinct G-CIMP phenotype that is highly dependent on the presence of IDH mutation. Introduction of mutant IDH1 into primary human astrocytes alters specific histone marks, induces extensive DNA hypermethylation, and reshapes the methylome in a fashion that mirrors the changes observed in G-CIMP-positive lower-grade gliomas. Furthermore, the epigenomic alterations resulting from mutant IDH1 activate key gene expression programs, characterize G-CIMP-positive proneural glioblastomas but not other glioblastomas, and are predictive of improved survival. Our findings demonstrate that IDH mutation is the molecular basis of CIMP in gliomas, provide a framework for understanding oncogenesis in these gliomas, and highlight the interplay between genomic and epigenomic changes in human cancers.

During germ cell and preimplantation development, mammalian cells undergo nearly complete reprogramming of DNA methylation patterns. We profiled the methylomes of human and chimp sperm as a basis for comparison to methylation patterns of ESCs. Although the majority of promoters escape methylation in both ESCs and sperm, the corresponding hypomethylated regions show substantial structural differences. Repeat elements are heavily methylated in both germ and somatic cells; however, retrotransposons from several subfamilies evade methylation more effectively during male germ cell development, whereas other subfamilies show the opposite trend. Comparing methylomes of human and chimp sperm revealed a subset of differentially methylated promoters and strikingly divergent methylation in retrotransposon subfamilies, with an evolutionary impact that is apparent in the underlying genomic sequence. Thus, the features that determine DNA methylation patterns differ between male germ cells and somatic cells, and elements of these features have diverged between humans and chimpanzees.

DNA methylation is implicated in a surprising diversity of regulatory, evolutionary processes and diseases in eukaryotes. The introduction of whole-genome bisulfite sequencing has enabled the study of DNA methylation at a single-base resolution, revealing many new aspects of DNA methylation and highlighting the usefulness of methylome data in understanding a variety of genomic phenomena. As the number of publicly available whole-genome bisulfite sequencing studies reaches into the hundreds, reliable and convenient tools for comparing and analyzing methylomes become increasingly important. We present MethPipe, a pipeline for both low and high-level methylome analysis, and MethBase, an accompanying database of annotated methylomes from the public domain. Together these resources enable researchers to extract interesting features from methylomes and compare them with those identified in public methylomes in our database.

Preclinical studies have shown that hypomethylating agents reverse platinum resistance in ovarian cancer. In this phase II clinical trial, based upon the results of our phase I dose defining study, we tested the clinical and biologic activity of low-dose decitabine administered before carboplatin in platinum-resistant ovarian cancer patients. Among 17 patients with heavily pretreated and platinum-resistant ovarian cancer, the regimen induced a 35% objective response rate (RR) and progression-free survival (PFS) of 10.2 months, with nine patients (53%) free of progression at 6 months. Global and gene-specific DNA demethylation was achieved in peripheral blood mononuclear cells and tumors. The number of demethylated genes was greater (P < 0.05) in tumor biopsies from patients with PFS more than 6 versus less than 6 months (311 vs. 244 genes). Pathways enriched at baseline in tumors from patients with PFS more than 6 months included cytokine-cytokine receptor interactions, drug transporters, and mitogen-activated protein kinase, toll-like receptor and Jak-STAT signaling pathways, whereas those enriched in demethylated genes after decitabine treatment included pathways involved in cancer, Wnt signaling, and apoptosis (P < 0.01). Demethylation of MLH1, RASSF1A, HOXA10, and HOXA11 in tumors positively correlated with PFS (P < 0.05). Together, the results of this study suggest that low-dose decitabine altered DNA methylation of genes and cancer pathways, restoring sensitivity to carboplatin in patients with heavily pretreated ovarian cancer and resulting in a high RR and prolonged PFS.

Breast cancer methylomes contribute to metastatic potential, modulate the metastasis transcriptome, and predict disease outcome.

Next generation sequencing technology generates high-throughput data, which allows us to detect fusion genes at both transcript and genomic levels. To detect fusion genes, the current bioinformatics tools heavily rely on paired-end approaches and overlook the importance of reads that span fusion junctions. Thus there is a need to develop an efficient aligner to detect fusion events by accurate mapping of these junction-spanning single reads, particularly when the read gets longer with the improvement in sequencing technology.We present a novel method, FusionMap, which aligns fusion reads directly to the genome without prior knowledge of potential fusion regions. FusionMap can detect fusion events in both single- and paired-end datasets from either RNA-Seq or gDNA-Seq studies and characterize fusion junctions at base-pair resolution. We showed that FusionMap achieved high sensitivity and specificity in fusion detection on two simulated RNA-Seq datasets, which contained 75 nt paired-end reads. FusionMap achieved substantially higher sensitivity and specificity than the paired-end approach when the inner distance between read pairs was small. Using FusionMap to characterize fusion genes in K562 chronic myeloid leukemia cell line, we further demonstrated its accuracy in fusion detection in both single-end RNA-Seq and gDNA-Seq datasets. These combined results show that FusionMap provides an accurate and systematic solution to detecting fusion events through junction-spanning reads.FusionMap includes reference indexing, read filtering, fusion alignment and reporting in one package. The software is free for noncommercial use at (http://www.omicsoft.com/fusionmap).

Abstract Background Blood collection from donors on testosterone therapy (TT) is restricted to red blood cell (RBC) concentrates to avoid patient exposure to supraphysiological testosterone (T). The objective of this study was to identify TT‐related changes in RBC characteristics relevant to transfusion effectiveness in patients. Study Design This was a two‐part study with cohorts of patients and blood donors on TT. In part 1, we conducted longitudinal evaluation of RBCs collected before and at three time points after initiation of T. RBC assays included storage and oxidative hemolysis, membrane deformability (elongation index), and oximetry. In part 2, we evaluated the fate of transfused RBCs from TT donors in immunodeficient mice and by retrospective analyses of NIH's vein‐to‐vein databases. Results TT increased oxidative hemolysis (1.45‐fold change) and decreased RBC membrane deformability. Plasma free testosterone was positively correlated with oxidative hemolysis ( r = .552) and negatively correlated with the elongation index ( r = −.472). Stored and gamma‐irradiated RBCs from TT donors had lower posttransfusion recovery in mice compared to controls (41.6 ± 12 vs. 55.3 ± 20.5%). Recipients of RBCs from male donors taking T had 25% lower hemoglobin increments compared to recipients of RBCs from non‐TT male donors, and had increased incidence (OR, 1.80) of requiring additional RBC transfusions within 48 h of the index transfusion event. Conclusions TT is associated with altered RBC characteristics and transfusion effectiveness. These results suggest that clinical utilization of TT RBCs may be less effective in recipients who benefit from longer RBC survival, such as chronically transfused patients.

Background Prenatal opioid exposure has been associated with adverse child health outcomes. Changes to the epigenome provide a plausible mechanism through which effects may be elicited. We investigated whether prenatal opioid exposure was associated with locus-specific changes in umbilical cord blood DNA methylation (DNAm) and gestational epigenetic age.

Abstract Genome-wide association studies (GWAS) have made impactful discoveries for complex diseases, often by amassing very large sample sizes. Yet, GWAS of many diseases remain underpowered, especially for non-European ancestries. One cost-effective approach to increase sample size is to combine existing case-only cohorts with public controls, but this approach is limited by the need for a large overlap in variants across genotyping arrays and the scarcity of non-European controls. We developed and validated a protocol, Genotyping Array-WGS Merge (GAWMerge), for combining genotypes from arrays and whole genome sequencing, ensuring complete variant overlap, and allowing for diverse samples like Trans-Omics for Precision Medicine to be used. Our protocol involves phasing, imputation, and filtering. We illustrated its ability to control type I error and recover known disease-associated signals across technologies, independent datasets, and ancestries in smoking-related cohorts. GAWMerge enables genetic studies to leverage existing cohorts to validly increase sample size and enhance discovery.