We performed integrated genomic, transcriptomic, and proteomic profiling of 150 pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) specimens, including samples with characteristic low neoplastic cellularity. Deep whole-exome sequencing revealed recurrent somatic mutations in KRAS, TP53, CDKN2A, SMAD4, RNF43, ARID1A, TGFβR2, GNAS, RREB1, and PBRM1. KRAS wild-type tumors harbored alterations in other oncogenic drivers, including GNAS, BRAF, CTNNB1, and additional RAS pathway genes. A subset of tumors harbored multiple KRAS mutations, with some showing evidence of biallelic mutations. Protein profiling identified a favorable prognosis subset with low epithelial-mesenchymal transition and high MTOR pathway scores. Associations of non-coding RNAs with tumor-specific mRNA subtypes were also identified. Our integrated multi-platform analysis reveals a complex molecular landscape of PDAC and provides a roadmap for precision medicine.

Diffuse large B cell lymphoma (DLBCL), the most common lymphoid malignancy in adults, is a clinically and genetically heterogeneous disease that is further classified into transcriptionally defined activated B cell (ABC) and germinal center B cell (GCB) subtypes. We carried out a comprehensive genetic analysis of 304 primary DLBCLs and identified low-frequency alterations, captured recurrent mutations, somatic copy number alterations, and structural variants, and defined coordinate signatures in patients with available outcome data. We integrated these genetic drivers using consensus clustering and identified five robust DLBCL subsets, including a previously unrecognized group of low-risk ABC-DLBCLs of extrafollicular/marginal zone origin; two distinct subsets of GCB-DLBCLs with different outcomes and targetable alterations; and an ABC/GCB-independent group with biallelic inactivation of TP53, CDKN2A loss, and associated genomic instability. The genetic features of the newly characterized subsets, their mutational signatures, and the temporal ordering of identified alterations provide new insights into DLBCL pathogenesis. The coordinate genetic signatures also predict outcome independent of the clinical International Prognostic Index and suggest new combination treatment strategies. More broadly, our results provide a roadmap for an actionable DLBCL classification.

Advanced, anaplastic lymphoma kinase (ALK)-positive lung cancer is currently treated with the first-generation ALK inhibitor crizotinib followed by more potent, second-generation ALK inhibitors (e.g., ceritinib and alectinib) upon progression. Second-generation inhibitors are generally effective even in the absence of crizotinib-resistant ALK mutations, likely reflecting incomplete inhibition of ALK by crizotinib in many cases. Herein, we analyzed 103 repeat biopsies from ALK-positive patients progressing on various ALK inhibitors. We find that each ALK inhibitor is associated with a distinct spectrum of ALK resistance mutations and that the frequency of one mutation, ALKG1202R, increases significantly after treatment with second-generation agents. To investigate strategies to overcome resistance to second-generation ALK inhibitors, we examine the activity of the third-generation ALK inhibitor lorlatinib in a series of ceritinib-resistant, patient-derived cell lines, and observe that the presence of ALK resistance mutations is highly predictive for sensitivity to lorlatinib, whereas those cell lines without ALK mutations are resistant.Secondary ALK mutations are a common resistance mechanism to second-generation ALK inhibitors and predict for sensitivity to the third-generation ALK inhibitor lorlatinib. These findings highlight the importance of repeat biopsies and genotyping following disease progression on targeted therapies, particularly second-generation ALK inhibitors. Cancer Discov; 6(10); 1118-33. ©2016 AACRSee related commentary by Qiao and Lovly, p. 1084This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1069.

Abstract Cancer develops through a process of somatic evolution 1,2 . Sequencing data from a single biopsy represent a snapshot of this process that can reveal the timing of specific genomic aberrations and the changing influence of mutational processes 3 . Here, by whole-genome sequencing analysis of 2,658 cancers as part of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA) 4 , we reconstruct the life history and evolution of mutational processes and driver mutation sequences of 38 types of cancer. Early oncogenesis is characterized by mutations in a constrained set of driver genes, and specific copy number gains, such as trisomy 7 in glioblastoma and isochromosome 17q in medulloblastoma. The mutational spectrum changes significantly throughout tumour evolution in 40% of samples. A nearly fourfold diversification of driver genes and increased genomic instability are features of later stages. Copy number alterations often occur in mitotic crises, and lead to simultaneous gains of chromosomal segments. Timing analyses suggest that driver mutations often precede diagnosis by many years, if not decades. Together, these results determine the evolutionary trajectories of cancer, and highlight opportunities for early cancer detection.

Whole-exome sequencing of cell-free DNA (cfDNA) could enable comprehensive profiling of tumors from blood but the genome-wide concordance between cfDNA and tumor biopsies is uncertain. Here we report ichorCNA, software that quantifies tumor content in cfDNA from 0.1× coverage whole-genome sequencing data without prior knowledge of tumor mutations. We apply ichorCNA to 1439 blood samples from 520 patients with metastatic prostate or breast cancers. In the earliest tested sample for each patient, 34% of patients have ≥10% tumor-derived cfDNA, sufficient for standard coverage whole-exome sequencing. Using whole-exome sequencing, we validate the concordance of clonal somatic mutations (88%), copy number alterations (80%), mutational signatures, and neoantigens between cfDNA and matched tumor biopsies from 41 patients with ≥10% cfDNA tumor content. In summary, we provide methods to identify patients eligible for comprehensive cfDNA profiling, revealing its applicability to many patients, and demonstrate high concordance of cfDNA and metastatic tumor whole-exome sequencing.

We report a comprehensive molecular characterization of pheochromocytomas and paragangliomas (PCCs/PGLs), a rare tumor type. Multi-platform integration revealed that PCCs/PGLs are driven by diverse alterations affecting multiple genes and pathways. Pathogenic germline mutations occurred in eight PCC/PGL susceptibility genes. We identified CSDE1 as a somatically mutated driver gene, complementing four known drivers (HRAS, RET, EPAS1, and NF1). We also discovered fusion genes in PCCs/PGLs, involving MAML3, BRAF, NGFR, and NF1. Integrated analysis classified PCCs/PGLs into four molecularly defined groups: a kinase signaling subtype, a pseudohypoxia subtype, a Wnt-altered subtype, driven by MAML3 and CSDE1, and a cortical admixture subtype. Correlates of metastatic PCCs/PGLs included the MAML3 fusion gene. This integrated molecular characterization provides a comprehensive foundation for developing PCC/PGL precision medicine.

In a patient who had metastatic anaplastic lymphoma kinase (ALK)-rearranged lung cancer, resistance to crizotinib developed because of a mutation in the ALK kinase domain. This mutation is predicted to result in a substitution of cysteine by tyrosine at amino acid residue 1156 (C1156Y). Her tumor did not respond to a second-generation ALK inhibitor, but it did respond to lorlatinib (PF-06463922), a third-generation inhibitor. When her tumor relapsed, sequencing of the resistant tumor revealed an ALK L1198F mutation in addition to the C1156Y mutation. The L1198F substitution confers resistance to lorlatinib through steric interference with drug binding. However, L1198F paradoxically enhances binding to crizotinib, negating the effect of C1156Y and resensitizing resistant cancers to crizotinib. The patient received crizotinib again, and her cancer-related symptoms and liver failure resolved. (Funded by Pfizer and others; ClinicalTrials.gov number, NCT01970865.).

Paz Polak, Jaegil Kim, Lior Z. Braunstein and colleagues have identified patterns of genome-wide mutation in certain breast cancers that can be used to identify those with DNA-repair deficiencies that make the tumor more likely to respond to therapies based on PARP inhibitors or platinum. In contrast, oncogenic mutations in several other DNA-repair genes do not generate these patterns. Biallelic inactivation of BRCA1 or BRCA2 is associated with a pattern of genome-wide mutations known as signature 3. By analyzing ∼1,000 breast cancer samples, we confirmed this association and established that germline nonsense and frameshift variants in PALB2, but not in ATM or CHEK2, can also give rise to the same signature. We were able to accurately classify missense BRCA1 or BRCA2 variants known to impair homologous recombination (HR) on the basis of this signature. Finally, we show that epigenetic silencing of RAD51C and BRCA1 by promoter methylation is strongly associated with signature 3 and, in our data set, was highly enriched in basal-like breast cancers in young individuals of African descent.

There is tremendous potential for genome sequencing to improve clinical diagnosis and care once it becomes routinely accessible, but this will require formalizing research methods into clinical best practices in the areas of sequence data generation, analysis, interpretation and reporting. The CLARITY Challenge was designed to spur convergence in methods for diagnosing genetic disease starting from clinical case history and genome sequencing data. DNA samples were obtained from three families with heritable genetic disorders and genomic sequence data were donated by sequencing platform vendors. The challenge was to analyze and interpret these data with the goals of identifying disease-causing variants and reporting the findings in a clinically useful format. Participating contestant groups were solicited broadly, and an independent panel of judges evaluated their performance. A total of 30 international groups were engaged. The entries reveal a general convergence of practices on most elements of the analysis and interpretation process. However, even given this commonality of approach, only two groups identified the consensus candidate variants in all disease cases, demonstrating a need for consistent fine-tuning of the generally accepted methods. There was greater diversity of the final clinical report content and in the patient consenting process, demonstrating that these areas require additional exploration and standardization. The CLARITY Challenge provides a comprehensive assessment of current practices for using genome sequencing to diagnose and report genetic diseases. There is remarkable convergence in bioinformatic techniques, but medical interpretation and reporting are areas that require further development by many groups.

Abstract Genetic alterations in the fibroblast growth factor receptor (FGFR) pathway are promising therapeutic targets in many cancers, including intrahepatic cholangiocarcinoma (ICC). The FGFR inhibitor BGJ398 displayed encouraging efficacy in patients with FGFR2 fusion–positive ICC in a phase II trial, but the durability of response was limited in some patients. Here, we report the molecular basis for acquired resistance to BGJ398 in three patients via integrative genomic characterization of cell-free circulating tumor DNA (cfDNA), primary tumors, and metastases. Serial analysis of cfDNA demonstrated multiple recurrent point mutations in the FGFR2 kinase domain at progression. Accordingly, biopsy of post-progression lesions and rapid autopsy revealed marked inter- and intralesional heterogeneity, with different FGFR2 mutations in individual resistant clones. Molecular modeling and in vitro studies indicated that each mutation led to BGJ398 resistance and was surmountable by structurally distinct FGFR inhibitors. Thus, polyclonal secondary FGFR2 mutations represent an important clinical resistance mechanism that may guide the development of future therapeutic strategies. Significance: We report the first genetic mechanisms of clinical acquired resistance to FGFR inhibition in patients with FGFR2 fusion–positive ICC. Our findings can inform future strategies for detecting resistance mechanisms and inducing more durable remissions in ICC and in the wide variety of cancers where the FGFR pathway is being explored as a therapeutic target. Cancer Discov; 7(3); 252–63. ©2016 AACR. See related commentary by Smyth et al., p. 248. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 235