Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

We conducted the largest investigation of predisposition variants in cancer to date, discovering 853 pathogenic or likely pathogenic variants in 8% of 10,389 cases from 33 cancer types. Twenty-one genes showed single or cross-cancer associations, including novel associations of SDHA in melanoma and PALB2 in stomach adenocarcinoma. The 659 predisposition variants and 18 additional large deletions in tumor suppressors, including ATM, BRCA1, and NF1, showed low gene expression and frequent (43%) loss of heterozygosity or biallelic two-hit events. We also discovered 33 such variants in oncogenes, including missenses in MET, RET, and PTPN11 associated with high gene expression. We nominated 47 additional predisposition variants from prioritized VUSs supported by multiple evidences involving case-control frequency, loss of heterozygosity, expression effect, and co-localization with mutations and modified residues. Our integrative approach links rare predisposition variants to functional consequences, informing future guidelines of variant classification and germline genetic testing in cancer.

We analyzed molecular data on 2,579 tumors from The Cancer Genome Atlas (TCGA) of four gynecological types plus breast. Our aims were to identify shared and unique molecular features, clinically significant subtypes, and potential therapeutic targets. We found 61 somatic copy-number alterations (SCNAs) and 46 significantly mutated genes (SMGs). Eleven SCNAs and 11 SMGs had not been identified in previous TCGA studies of the individual tumor types. We found functionally significant estrogen receptor-regulated long non-coding RNAs (lncRNAs) and gene/lncRNA interaction networks. Pathway analysis identified subtypes with high leukocyte infiltration, raising potential implications for immunotherapy. Using 16 key molecular features, we identified five prognostic subtypes and developed a decision tree that classified patients into the subtypes based on just six features that are assessable in clinical laboratories.

This integrated, multiplatform PanCancer Atlas study co-mapped and identified distinguishing molecular features of squamous cell carcinomas (SCCs) from five sites associated with smoking and/or human papillomavirus (HPV). SCCs harbor 3q, 5p, and other recurrent chromosomal copy-number alterations (CNAs), DNA mutations, and/or aberrant methylation of genes and microRNAs, which are correlated with the expression of multi-gene programs linked to squamous cell stemness, epithelial-to-mesenchymal differentiation, growth, genomic integrity, oxidative damage, death, and inflammation. Low-CNA SCCs tended to be HPV(+) and display hypermethylation with repression of TET1 demethylase and FANCF, previously linked to predisposition to SCC, or harbor mutations affecting CASP8, RAS-MAPK pathways, chromatin modifiers, and immunoregulatory molecules. We uncovered hypomethylation of the alternative promoter that drives expression of the ΔNp63 oncogene and embedded miR944. Co-expression of immune checkpoint, T-regulatory, and Myeloid suppressor cells signatures may explain reduced efficacy of immune therapy. These findings support possibilities for molecular classification and therapeutic approaches.

Comprehensively mapping the genetic basis of human disease across diverse individuals is a long-standing goal for the field of human genetics1-4. The All of Us Research Program is a longitudinal cohort study aiming to enrol a diverse group of at least one million individuals across the USA to accelerate biomedical research and improve human health5,6. Here we describe the programme's genomics data release of 245,388 clinical-grade genome sequences. This resource is unique in its diversity as 77% of participants are from communities that are historically under-represented in biomedical research and 46% are individuals from under-represented racial and ethnic minorities. All of Us identified more than 1 billion genetic variants, including more than 275 million previously unreported genetic variants, more than 3.9 million of which had coding consequences. Leveraging linkage between genomic data and the longitudinal electronic health record, we evaluated 3,724 genetic variants associated with 117 diseases and found high replication rates across both participants of European ancestry and participants of African ancestry. Summary-level data are publicly available, and individual-level data can be accessed by researchers through the All of Us Researcher Workbench using a unique data passport model with a median time from initial researcher registration to data access of 29 hours. We anticipate that this diverse dataset will advance the promise of genomic medicine for all.

Abstract We introduce a massively parallel novel sequencing platform that combines an open flow cell design on a circular wafer with a large surface area and mostly natural nucleotides that allow optical end-point detection without reversible terminators. This platform enables sequencing billions of reads with longer read length (∼300bp) and fast runs times (<20hrs) with high base accuracy (Q30 > 85%), at a low cost of $1/Gb. We establish system performance by whole-genome sequencing of the Genome-In-A-Bottle reference samples HG001-7, demonstrating high accuracy for SNPs (99.6%) and Indels in homopolymers up to length 10 (96.4%) across the vast majority (>98%) of the defined high-confidence regions of these samples. We demonstrate scalability of the whole-genome sequencing workflow by sequencing an additional 224 selected samples from the 1000 Genomes project achieving high concordance with reference data.

ABSTRACT We introduce Giraffe, a pangenome short read mapper that can efficiently map to a collection of haplotypes threaded through a sequence graph. Giraffe, part of the variation graph toolkit (vg) 1 , maps reads to thousands of human genomes at around the same speed BWA-MEM 2 maps reads to a single reference genome, while maintaining comparable accuracy to VG-MAP, vg’s original mapper. We have developed efficient genotyping pipelines using Giraffe. We demonstrate improvements in genotyping for single-nucleotide variants (SNVs), small insertions and deletions (indels) and structural variations (SVs) genome-wide. We use Giraffe to genotype about 167 thousand structural variants ascertained from long read studies in 5,202 human genomes sequenced with short reads, including the complete 1000 Genomes Project dataset, at an average cost of $1.50 per sample. We determine the frequency of these variations in diverse human populations, characterize their complex allelic variations and identify thousands of expression quantitative trait loci (eQTLs) driven by these variations.

Abstract Alternative splicing is a core biological process that enables profound and essential diversification of gene function. Short-read RNA sequencing approaches fail to resolve RNA isoforms and therefore primarily enable gene expression measurements - an isoform unaware representation of the transcriptome. Conversely, full-length RNA sequencing using long-read technologies are able to capture complete transcript isoforms, but their utility is deeply constrained due to throughput limitations. Here, we introduce MAS-ISO-seq, a technique for programmably concatenating cDNAs into single molecules optimal for long-read sequencing, boosting the throughput >15 fold to nearly 40 million cDNA reads per run on the Sequel IIe sequencer. We validated unambiguous isoform assignment with MAS-ISO-seq using a synthetic RNA isoform library and applied this approach to single-cell RNA sequencing of tumor-infiltrating T cells. Results demonstrated a >30 fold boosted discovery of differentially spliced genes and robust cell clustering, as well as canonical PTPRC splicing patterns across T cell subpopulations and the concerted expression of the associated hnRNPLL splicing factor. Methods such as MAS-ISO-seq will drive discovery of novel isoforms and the transition from gene expression to transcript isoform expression analyses.

Analyzing 5770 all-cause cirrhosis cases and 572,850 controls from seven cohorts, we identify a missense variant in the Mitochondrial Amidoxime Reducing Component 1 gene ( MARC1 p.A165T) that associates with protection from all-cause cirrhosis (OR 0.88, p=2.1*10 −8 ). This same variant also associates with lower levels of hepatic fat on computed tomographic imaging and lower odds of physician-diagnosed fatty liver as well as lower blood levels of alanine transaminase (−0.012 SD, 1.4*10 −8 ), alkaline phosphatase (−0.019 SD, 6.6*10 −9 ), total cholesterol (−0.037 SD, p=1*10 −18 ) and LDL cholesterol (−0.035 SD, p=7.3*10 −16 ). Carriers of rare protein-truncating variants in MARC1 had lower liver enzyme levels, cholesterol levels, and reduced odds of liver disease (OR 0.19, p= 0.04) suggesting that deficiency of the MARC1 enzyme protects against cirrhosis.