Summary

 Cancer develops as a result of somatic mutation and clonal selection, but quantitative measures of selection in cancer evolution are lacking. We adapted methods from molecular evolution and applied them to 7,664 tumors across 29 cancer types. Unlike species evolution, positive selection outweighs negative selection during cancer development. On average, <1 coding base substitution/tumor is lost through negative selection, with purifying selection almost absent outside homozygous loss of essential genes. This allows exome-wide enumeration of all driver coding mutations, including outside known cancer genes. On average, tumors carry ∼4 coding substitutions under positive selection, ranging from <1/tumor in thyroid and testicular cancers to >10/tumor in endometrial and colorectal cancers. Half of driver substitutions occur in yet-to-be-discovered cancer genes. With increasing mutation burden, numbers of driver mutations increase, but not linearly. We systematically catalog cancer genes and show that genes vary extensively in what proportion of mutations are drivers versus passengers.

Assessing smoke damage in cancer genomes We have known for over 60 years that smoking tobacco is one of the most avoidable risk factors for cancer. Yet the detailed mechanisms by which tobacco smoke damages the genome and creates the mutations that ultimately cause cancer are still not fully understood. Alexandrov et al. examined mutational signatures and DNA methylation changes in over 5000 genome sequences from 17 different cancer types linked to smoking (see the Perspective by Pfeifer). They found a complex pattern of mutational signatures. Only cancers originating in tissues directly exposed to smoke showed a signature characteristic of the known tobacco carcinogen benzo[ a ]pyrene. One mysterious signature was shared by all smoking-associated cancers but is of unknown origin. Smoking had only a modest effect on DNA methylation. Science , this issue p. 618 ; see also p. 549

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.

Intra-tumor heterogeneity (ITH) is a mechanism of therapeutic resistance and therefore an important clinical challenge. However, the extent, origin, and drivers of ITH across cancer types are poorly understood. To address this, we extensively characterize ITH across whole-genome sequences of 2,658 cancer samples spanning 38 cancer types. Nearly all informative samples (95.1%) contain evidence of distinct subclonal expansions with frequent branching relationships between subclones. We observe positive selection of subclonal driver mutations across most cancer types and identify cancer type-specific subclonal patterns of driver gene mutations, fusions, structural variants, and copy number alterations as well as dynamic changes in mutational processes between subclonal expansions. Our results underline the importance of ITH and its drivers in tumor evolution and provide a pan-cancer resource of comprehensively annotated subclonal events from whole-genome sequencing data.

Abstract Gains and losses of DNA are prevalent in cancer and emerge as a consequence of inter-related processes of replication stress, mitotic errors, spindle multipolarity and breakage–fusion–bridge cycles, among others, which may lead to chromosomal instability and aneuploidy 1,2 . These copy number alterations contribute to cancer initiation, progression and therapeutic resistance 3–5 . Here we present a conceptual framework to examine the patterns of copy number alterations in human cancer that is widely applicable to diverse data types, including whole-genome sequencing, whole-exome sequencing, reduced representation bisulfite sequencing, single-cell DNA sequencing and SNP6 microarray data. Deploying this framework to 9,873 cancers representing 33 human cancer types from The Cancer Genome Atlas 6 revealed a set of 21 copy number signatures that explain the copy number patterns of 97% of samples. Seventeen copy number signatures were attributed to biological phenomena of whole-genome doubling, aneuploidy, loss of heterozygosity, homologous recombination deficiency, chromothripsis and haploidization. The aetiologies of four copy number signatures remain unexplained. Some cancer types harbour amplicon signatures associated with extrachromosomal DNA, disease-specific survival and proto-oncogene gains such as MDM2 . In contrast to base-scale mutational signatures, no copy number signature was associated with many known exogenous cancer risk factors. Our results synthesize the global landscape of copy number alterations in human cancer by revealing a diversity of mutational processes that give rise to these alterations.

Abstract Osteosarcoma is a primary malignancy of bone that affects children and adults. Here, we present the largest sequencing study of osteosarcoma to date, comprising 112 childhood and adult tumours encompassing all major histological subtypes. A key finding of our study is the identification of mutations in insulin-like growth factor (IGF) signalling genes in 8/112 (7%) of cases. We validate this observation using fluorescence in situ hybridization (FISH) in an additional 87 osteosarcomas, with IGF1 receptor ( IGF1R ) amplification observed in 14% of tumours. These findings may inform patient selection in future trials of IGF1R inhibitors in osteosarcoma. Analysing patterns of mutation, we identify distinct rearrangement profiles including a process characterized by chromothripsis and amplification. This process operates recurrently at discrete genomic regions and generates driver mutations. It may represent an age-independent mutational mechanism that contributes to the development of osteosarcoma in children and adults alike.

Chromosomal instability (CIN) results in the accumulation of large-scale losses, gains and rearrangements of DNA1. The broad genomic complexity caused by CIN is a hallmark of cancer2; however, there is no systematic framework to measure different types of CIN and their effect on clinical phenotypes pan-cancer. Here we evaluate the extent, diversity and origin of CIN across 7,880 tumours representing 33 cancer types. We present a compendium of 17 copy number signatures that characterize specific types of CIN, with putative aetiologies supported by multiple independent data sources. The signatures predict drug response and identify new drug targets. Our framework refines the understanding of impaired homologous recombination, which is one of the most therapeutically targetable types of CIN. Our results illuminate a fundamental structure underlying genomic complexity in human cancers and provide a resource to guide future CIN research.

ABSTRACT Tobacco smoking increases the risk of at least 15 classes of cancer. We analyzed somatic mutations and DNA methylation in 5,243 cancers of types for which tobacco smoking confers an elevated risk. Smoking is associated with increased mutation burdens of multiple distinct mutational signatures, which contribute to different extents in different cancers. One of these signatures, mainly found in cancers derived from tissues directly exposed to tobacco smoke, is attributable to misreplication of DNA damage caused by tobacco carcinogens. Others likely reflect indirect activation of DNA editing by APOBEC cytidine deaminases and of an endogenous clock-like mutational process. The results are consistent with the proposition that smoking increases cancer risk by increasing the somatic mutation load, although direct evidence for this mechanism is lacking in some smoking-related cancer types. ONE SENTENCE SUMMARY Multiple distinct mutational processes associate with tobacco smoking in cancer reflecting direct and indirect effects of tobacco smoke.