Summary

 We previously piloted the concept of a Connectivity Map (CMap), whereby genes, drugs, and disease states are connected by virtue of common gene-expression signatures. Here, we report more than a 1,000-fold scale-up of the CMap as part of the NIH LINCS Consortium, made possible by a new, low-cost, high-throughput reduced representation expression profiling method that we term L1000. We show that L1000 is highly reproducible, comparable to RNA sequencing, and suitable for computational inference of the expression levels of 81% of non-measured transcripts. We further show that the expanded CMap can be used to discover mechanism of action of small molecules, functionally annotate genetic variants of disease genes, and inform clinical trials. The 1.3 million L1000 profiles described here, as well as tools for their analysis, are available at https://clue.io.

Comparative analysis of multiple genomes in a phylogenetic framework dramatically improves the precision and sensitivity of evolutionary inference, producing more robust results than single-genome analyses can provide. The genomes of 12 Drosophila species, ten of which are presented here for the first time (sechellia, simulans, yakuba, erecta, ananassae, persimilis, willistoni, mojavensis, virilis and grimshawi), illustrate how rates and patterns of sequence divergence across taxa can illuminate evolutionary processes on a genomic scale. These genome sequences augment the formidable genetic tools that have made Drosophila melanogaster a pre-eminent model for animal genetics, and will further catalyse fundamental research on mechanisms of development, cell biology, genetics, disease, neurobiology, behaviour, physiology and evolution. Despite remarkable similarities among these Drosophila species, we identified many putatively non-neutral changes in protein-coding genes, non-coding RNA genes, and cis-regulatory regions. These may prove to underlie differences in the ecology and behaviour of these diverse species. This issue includes a landmark collection of papers on the stalwart of the genetics lab, the Drosophila fruit fly. The centrepiece is the publication by the Drosophila 12 Genomes Consortium of the genomic sequence for ten Drosophila species. The paper compares the newly sequenced genomes (sechellia, simulans, yakuba, erecta, ananassae, persimilis, willistoni, mojavensis, virilis and grimshawi species), with the two previously known sequences for D. melanogaster and D. pseudoobscura. The resulting database of genetic variation will be invaluable for the study of the forces of evolutionary change. A second major collaboration has mined the dozen Drosophila genome sequences for conserved elements, and reports the relationship between conservation and function for many specific sequence motifs. A detailed regulatory network emerges, identifying protein-coding genes and exons, RNA genes, microRNAs and their targets. These papers are discussed in News and Views. Two further research papers use the new genomic data to study gene expression, first for genes with male-biased expression and those unique to each species and second, to track the evolution of gene dosage compensation on Drosophila sex chromosomes. Four new reviews focus on how the latest work on Drosophila is taking this genetically pliant lab model into exciting new fields. Pierre Leopold and Norbert Perrimon review advances in the study of endocrinology and homeostasis that are establishing Drosophila as a model for mammalian physiology. Drosophila has proved a powerful system in which to study the pathways controlling cell shape in growing tissue, as reported by Thomas Lecuit and Loïc Le Goff. Leslie Vosshall reviews the remarkable work linking neural circuits and behaviour and John Lis reviews work on Drosophila that has rewritten the textbook view of gene transcription. The cover shows anaesthetized individuals of all twelve Drosophila species. An international consortium reports the genomic sequence for ten Drosophila species, and compares them to two other previously published Drosophila species. These data are invaluable for drawing evolutionary conclusions across an entire phylogeny of species at once.

Lung adenocarcinoma, the most common subtype of non-small cell lung cancer, is responsible for more than 500,000 deaths per year worldwide. Here, we report exome and genome sequences of 183 lung adenocarcinoma tumor/normal DNA pairs. These analyses revealed a mean exonic somatic mutation rate of 12.0 events/megabase and identified the majority of genes previously reported as significantly mutated in lung adenocarcinoma. In addition, we identified statistically recurrent somatic mutations in the splicing factor gene U2AF1 and truncating mutations affecting RBM10 and ARID1A. Analysis of nucleotide context-specific mutation signatures grouped the sample set into distinct clusters that correlated with smoking history and alterations of reported lung adenocarcinoma genes. Whole-genome sequence analysis revealed frequent structural rearrangements, including in-frame exonic alterations within EGFR and SIK2 kinases. The candidate genes identified in this study are attractive targets for biological characterization and therapeutic targeting of lung adenocarcinoma.

Drosophila melanogaster is one of the most well studied genetic model organisms; nonetheless, its genome still contains unannotated coding and non-coding genes, transcripts, exons and RNA editing sites. Full discovery and annotation are pre-requisites for understanding how the regulation of transcription, splicing and RNA editing directs the development of this complex organism. Here we used RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages. We identified 111,195 new elements, including thousands of genes, coding and non-coding transcripts, exons, splicing and editing events, and inferred protein isoforms that previously eluded discovery using established experimental, prediction and conservation-based approaches. These data substantially expand the number of known transcribed elements in the Drosophila genome and provide a high-resolution view of transcriptome dynamics throughout development. Three papers in this issue of Nature report on the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in the fruitfly Drosophila melanogaster and the roundworm Caenorhabditis elegans. Kharchenko et al. present a genome-wide chromatin landscape of the fruitfly, based on 18 histone modifications. They describe nine prevalent chromatin states. Integrating these analyses with other data types reveals individual characteristics of different genomic elements. Graveley et al. have used RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages of the fruitfly. Among the results are scores of new genes, coding and non-coding transcripts, as well as splicing and editing events. Finally, Nègre et al. have produced a map of the regulatory part of the fruitfly genome, defining a vast array of putative regulatory elements, such as enhancers, promoters, insulators and silencers. As part of the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in D. melanogaster and C. elegans, this study uses RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages of the fruitfly. Among the results are scores of new genes, coding and non-coding transcripts, as well as splicing and editing events.

From Genome to Regulatory Networks For biologists, having a genome in hand is only the beginning—much more investigation is still needed to characterize how the genome is used to help to produce a functional organism (see the Perspective by Blaxter ). In this vein, Gerstein et al. (p. 1775 ) summarize for the Caenorhabditis elegans genome, and The modENCODE Consortium (p. 1787 ) summarize for the Drosophila melanogaster genome, full transcriptome analyses over developmental stages, genome-wide identification of transcription factor binding sites, and high-resolution maps of chromatin organization. Both studies identified regions of the nematode and fly genomes that show highly occupied targets (or HOT) regions where DNA was bound by more than 15 of the transcription factors analyzed and the expression of related genes were characterized. Overall, the studies provide insights into the organization, structure, and function of the two genomes and provide basic information needed to guide and correlate both focused and genome-wide studies.

Papillary renal-cell carcinoma, which accounts for 15 to 20% of renal-cell carcinomas, is a heterogeneous disease that consists of various types of renal cancer, including tumors with indolent, multifocal presentation and solitary tumors with an aggressive, highly lethal phenotype. Little is known about the genetic basis of sporadic papillary renal-cell carcinoma, and no effective forms of therapy for advanced disease exist.

To compare lung adenocarcinoma (ADC) and lung squamous cell carcinoma (SqCC) and to identify new drivers of lung carcinogenesis, we examined the exome sequences and copy number profiles of 660 lung ADC and 484 lung SqCC tumor-normal pairs. Recurrent alterations in lung SqCCs were more similar to those of other squamous carcinomas than to alterations in lung ADCs. New significantly mutated genes included PPP3CA, DOT1L, and FTSJD1 in lung ADC, RASA1 in lung SqCC, and KLF5, EP300, and CREBBP in both tumor types. New amplification peaks encompassed MIR21 in lung ADC, MIR205 in lung SqCC, and MAPK1 in both. Lung ADCs lacking receptor tyrosine kinase-Ras-Raf pathway alterations had mutations in SOS1, VAV1, RASA1, and ARHGAP35. Regarding neoantigens, 47% of the lung ADC and 53% of the lung SqCC tumors had at least five predicted neoepitopes. Although targeted therapies for lung ADC and SqCC are largely distinct, immunotherapies may aid in treatment for both subtypes.

The specialized ribonuclease Dicer initiates RNA interference by cleaving double-stranded RNA (dsRNA) substrates into small fragments about 25 nucleotides in length. In the crystal structure of an intact Dicer enzyme, the PAZ domain, a module that binds the end of dsRNA, is separated from the two catalytic ribonuclease III (RNase III) domains by a flat, positively charged surface. The 65 angstrom distance between the PAZ and RNase III domains matches the length spanned by 25 base pairs of RNA. Thus, Dicer itself is a molecular ruler that recognizes dsRNA and cleaves a specified distance from the helical end.

High-throughput complementary DNA sequencing technologies have advanced our understanding of transcriptome complexity and regulation. However, these methods lose information contained in biological RNA because the copied reads are often short and modifications are not retained. We address these limitations using a native poly(A) RNA sequencing strategy developed by Oxford Nanopore Technologies. Our study generated 9.9 million aligned sequence reads for the human cell line GM12878, using thirty MinION flow cells at six institutions. These native RNA reads had a median length of 771 bases, and a maximum aligned length of over 21,000 bases. Mitochondrial poly(A) reads provided an internal measure of read-length quality. We combined these long nanopore reads with higher accuracy short-reads and annotated GM12878 promoter regions to identify 33,984 plausible RNA isoforms. We describe strategies for assessing 3' poly(A) tail length, base modifications and transcript haplotypes.

Abstract While splicing changes caused by somatic mutations in SF3B1 are known, identifying full-length isoform changes may better elucidate the functional consequences of these mutations. We report nanopore sequencing of full-length cDNA from CLL samples with and without SF3B1 mutation, as well as normal B cell samples, giving a total of 149 million pass reads. We present FLAIR (Full-Length Alternative Isoform analysis of RNA), a computational workflow to identify high-confidence transcripts, perform differential splicing event analysis, and differential isoform analysis. Using nanopore reads, we demonstrate differential 3’ splice site changes associated with SF3B1 mutation, agreeing with previous studies. We also observe a strong downregulation of intron retention events associated with SF3B1 mutation. Full-length transcript analysis links multiple alternative splicing events together and allows for better estimates of the abundance of productive versus unproductive isoforms. Our work demonstrates the potential utility of nanopore sequencing for cancer and splicing research.