Cancer is driven by somatically acquired point mutations and chromosomal rearrangements, conventionally thought to accumulate gradually over time. Using next-generation sequencing, we characterize a phenomenon, which we term chromothripsis, whereby tens to hundreds of genomic rearrangements occur in a one-off cellular crisis. Rearrangements involving one or a few chromosomes crisscross back and forth across involved regions, generating frequent oscillations between two copy number states. These genomic hallmarks are highly improbable if rearrangements accumulate over time and instead imply that nearly all occur during a single cellular catastrophe. The stamp of chromothripsis can be seen in at least 2%–3% of all cancers, across many subtypes, and is present in ∼25% of bone cancers. We find that one, or indeed more than one, cancer-causing lesion can emerge out of the genomic crisis. This phenomenon has important implications for the origins of genomic remodeling and temporal emergence of cancer.PaperClip/cms/asset/11160b8f-e385-4dd3-bf95-502960456925/mmc8.mp3Loading ...(mp3, 2.86 MB) Download audio

COSMIC ( http://www.sanger.ac.uk/cosmic ) curates comprehensive information on somatic mutations in human cancer. Release v48 (July 2010) describes over 136 000 coding mutations in almost 542 000 tumour samples; of the 18 490 genes documented, 4803 (26%) have one or more mutations. Full scientific literature curations are available on 83 major cancer genes and 49 fusion gene pairs (19 new cancer genes and 30 new fusion pairs this year) and this number is continually increasing. Key amongst these is TP53, now available through a collaboration with the IARC p53 database. In addition to data from the Cancer Genome Project (CGP) at the Sanger Institute, UK, and The Cancer Genome Atlas project (TCGA), large systematic screens are also now curated. Major website upgrades now make these data much more mineable, with many new selection filters and graphics. A Biomart is now available allowing more automated data mining and integration with other biological databases. Annotation of genomic features has become a significant focus; COSMIC has begun curating full-genome resequencing experiments, developing new web pages, export formats and graphics styles. With all genomic information recently updated to GRCh37, COSMIC integrates many diverse types of mutation information and is making much closer links with Ensembl and other data resources.

All cancers carry somatic mutations. The patterns of mutation in cancer genomes reflect the DNA damage and repair processes to which cancer cells and their precursors have been exposed. To explore these mechanisms further, we generated catalogs of somatic mutation from 21 breast cancers and applied mathematical methods to extract mutational signatures of the underlying processes. Multiple distinct single- and double-nucleotide substitution signatures were discernible. Cancers with BRCA1 or BRCA2 mutations exhibited a characteristic combination of substitution mutation signatures and a distinctive profile of deletions. Complex relationships between somatic mutation prevalence and transcription were detected. A remarkable phenomenon of localized hypermutation, termed “kataegis,” was observed. Regions of kataegis differed between cancers but usually colocalized with somatic rearrangements. Base substitutions in these regions were almost exclusively of cytosine at TpC dinucleotides. The mechanisms underlying most of these mutational signatures are unknown. However, a role for the APOBEC family of cytidine deaminases is proposed.PaperClip/cms/asset/8e7dce11-cccf-4897-b14e-12c61f105ebd/mmc2.mp3Loading ...(mp3, 4.2 MB) Download audio

A study of breast cancers shows that the number of somatic mutations in each varies markedly and is strongly correlated with age at diagnosis and cancer histological grade. An analysis of mutated genes associated with breast cancer sampled from 100 patients reveals a wide variation in the number of mutations between individuals, highlighting the substantial genetic diversity underlying this disease. The mutation number correlates with age of diagnosis and histological grade. Multiple mutational signatures are identified, as are driver mutations in novel cancer genes. All cancers carry somatic mutations in their genomes. A subset, known as driver mutations, confer clonal selective advantage on cancer cells and are causally implicated in oncogenesis1, and the remainder are passenger mutations. The driver mutations and mutational processes operative in breast cancer have not yet been comprehensively explored. Here we examine the genomes of 100 tumours for somatic copy number changes and mutations in the coding exons of protein-coding genes. The number of somatic mutations varied markedly between individual tumours. We found strong correlations between mutation number, age at which cancer was diagnosed and cancer histological grade, and observed multiple mutational signatures, including one present in about ten per cent of tumours characterized by numerous mutations of cytosine at TpC dinucleotides. Driver mutations were identified in several new cancer genes including AKT2, ARID1B, CASP8, CDKN1B, MAP3K1, MAP3K13, NCOR1, SMARCD1 and TBX3. Among the 100 tumours, we found driver mutations in at least 40 cancer genes and 73 different combinations of mutated cancer genes. The results highlight the substantial genetic diversity underlying this common disease.

Normal skin's curiously abnormal genome Within every tumor, a battle is being waged. As individual tumor cells acquire new mutations that promote their survival and growth, they clonally expand at the expense of tumor cells that are “less fit.” Martincorena et al. sequenced 234 biopsies of sun-exposed but physiologically normal skin from four individuals (see the Perspective by Brash). They found a surprisingly high burden of mutations, higher than that of many tumors. Many of the mutations known to drive the growth of cutaneous squamous cell carcinomas were already under strong positive selection. More than a quarter of normal skin cells carried a driver mutation, and every square centimeter of skin contained hundreds of competing mutant clones. Science , this issue p. 880 ; see also p. 867

Cancer evolves dynamically as clonal expansions supersede one another driven by shifting selective pressures, mutational processes, and disrupted cancer genes. These processes mark the genome, such that a cancer's life history is encrypted in the somatic mutations present. We developed algorithms to decipher this narrative and applied them to 21 breast cancers. Mutational processes evolve across a cancer's lifespan, with many emerging late but contributing extensive genetic variation. Subclonal diversification is prominent, and most mutations are found in just a fraction of tumor cells. Every tumor has a dominant subclonal lineage, representing more than 50% of tumor cells. Minimal expansion of these subclones occurs until many hundreds to thousands of mutations have accumulated, implying the existence of long-lived, quiescent cell lineages capable of substantial proliferation upon acquisition of enabling genomic changes. Expansion of the dominant subclone to an appreciable mass may therefore represent the final rate-limiting step in a breast cancer's development, triggering diagnosis.

Christine Iacobuzio-Donahue and colleagues use whole-genome exome sequencing to analyse primary pancreatic cancers and one or more metastases from the same patients, and find that tumours are composed of distinct subclones. The authors also determine the evolutionary maps by which metastatic cancer clones have evolved within the primary tumour, and estimate the timescales of tumour progression. On the basis of these data, they estimate a mean period of 11.8 years between the initiation of pancreatic tumorigenesis and the formation of the parental, non-metastatic tumour, and a further 6.8 years for the index metastasis clone to arise. These data point to a potentially large window of opportunity during which it might be possible to detect the cancer in a relatively early form. Peter Campbell and colleagues use next-generation sequencing to detect chromosomal rearrangements in 13 patients with pancreatic cancer. The results reveal considerable inter-patient heterogeneity and indicate ongoing genomic instability and evolution during the development of metastases. But for most of the patients studied, more than half of the genetic rearrangements found were present in all metastases and the primary tumour, making them potential targets for therapeutic intervention at early and late stages of the disease. Pancreatic cancer is highly aggressive, usually because of widespread metastasis. Here, next-generation DNA sequencing has been used to detect genomic rearrangements in 13 patients with pancreatic cancer and to explore clonal relationships among metastases. The results reveal not only considerable inter-patient heterogeneity, but also ongoing genomic instability and evolution during the development of metastases. Pancreatic cancer is an aggressive malignancy with a five-year mortality of 97–98%, usually due to widespread metastatic disease. Previous studies indicate that this disease has a complex genomic landscape, with frequent copy number changes and point mutations1,2,3,4,5, but genomic rearrangements have not been characterized in detail. Despite the clinical importance of metastasis, there remain fundamental questions about the clonal structures of metastatic tumours6,7, including phylogenetic relationships among metastases, the scale of ongoing parallel evolution in metastatic and primary sites7, and how the tumour disseminates. Here we harness advances in DNA sequencing8,9,10,11,12 to annotate genomic rearrangements in 13 patients with pancreatic cancer and explore clonal relationships among metastases. We find that pancreatic cancer acquires rearrangements indicative of telomere dysfunction and abnormal cell-cycle control, namely dysregulated G1-to-S-phase transition with intact G2–M checkpoint. These initiate amplification of cancer genes and occur predominantly in early cancer development rather than the later stages of the disease. Genomic instability frequently persists after cancer dissemination, resulting in ongoing, parallel and even convergent evolution among different metastases. We find evidence that there is genetic heterogeneity among metastasis-initiating cells, that seeding metastasis may require driver mutations beyond those required for primary tumours, and that phylogenetic trees across metastases show organ-specific branches. These data attest to the richness of genetic variation in cancer, brought about by the tandem forces of genomic instability and evolutionary selection.

Using large-scale exome sequencing, Andrew Futreal and colleagues have identified a second frequently mutated gene (after VHL) in clear cell renal cell carcinomas, the most frequent type of kidney cancer. PBRM1, a member of the SWI/SNF complex involved in transcriptional regulation, is mutated in about 40% of cases and is shown to function as a tumour suppressor gene. PBRM1 was independently found as a putative cancer gene involved in pancreatic cancer in a mouse transposon screen. These results — together with the fact that other components of the same complex are known cancer genes — unambiguously identify PBRM1 as a major cancer gene. Using large-scale exome sequencing, this study identifies a second (after VHL) frequently mutated gene in clear cell renal cell carcinomas, the most frequent type of kidney cancer. PBRM1, a member of the SWI/SNF complex involved in transcriptional regulation, is mutated in about 40% of cases and shown to function as tumour suppressor gene. PBRM1 was independently found as a putative cancer gene involved in pancreatic cancer in a mouse transposon screen. The genetics of renal cancer is dominated by inactivation of the VHL tumour suppressor gene in clear cell carcinoma (ccRCC), the commonest histological subtype. A recent large-scale screen of ∼3,500 genes by PCR-based exon re-sequencing identified several new cancer genes in ccRCC including UTX (also known as KDM6A)1, JARID1C (also known as KDM5C) and SETD2 (ref. 2). These genes encode enzymes that demethylate (UTX, JARID1C) or methylate (SETD2) key lysine residues of histone H3. Modification of the methylation state of these lysine residues of histone H3 regulates chromatin structure and is implicated in transcriptional control3. However, together these mutations are present in fewer than 15% of ccRCC, suggesting the existence of additional, currently unidentified cancer genes. Here, we have sequenced the protein coding exome in a series of primary ccRCC and report the identification of the SWI/SNF chromatin remodelling complex gene PBRM1 (ref. 4) as a second major ccRCC cancer gene, with truncating mutations in 41% (92/227) of cases. These data further elucidate the somatic genetic architecture of ccRCC and emphasize the marked contribution of aberrant chromatin biology.