We analysed whole-genome sequences of 560 breast cancers to advance understanding of the driver mutations conferring clonal advantage and the mutational processes generating somatic mutations. We found that 93 protein-coding cancer genes carried probable driver mutations. Some non-coding regions exhibited high mutation frequencies, but most have distinctive structural features probably causing elevated mutation rates and do not contain driver mutations. Mutational signature analysis was extended to genome rearrangements and revealed twelve base substitution and six rearrangement signatures. Three rearrangement signatures, characterized by tandem duplications or deletions, appear associated with defective homologous-recombination-based DNA repair: one with deficient BRCA1 function, another with deficient BRCA1 or BRCA2 function, the cause of the third is unknown. This analysis of all classes of somatic mutation across exons, introns and intergenic regions highlights the repertoire of cancer genes and mutational processes operating, and progresses towards a comprehensive account of the somatic genetic basis of breast cancer. Whole-genome sequencing of tumours from 560 breast cancer cases provides a comprehensive genome-wide view of recurrent somatic mutations and mutation frequencies across both protein coding and non-coding regions; several mutational signatures in these cancer genomes are associated with BRCA1 or BRCA2 function and defective homologous-recombination-based DNA repair. This study reports whole-genome sequencing of tumours and normal tissue from 560 breast cancer cases, providing a comprehensive genome-wide view of recurrent somatic mutations and mutation frequencies across both protein coding and non-coding regions. The authors analyse mutational signatures in these cancer genomes, including a new investigation of rearrangement mutational processes, and find several that are associated with BRCA1 or BRCA2 function and defective homologous-recombination-based DNA repair. They also find mutational signatures showing distinct DNA replication strand biases.

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

Whole-genome and targeted sequencing of multiple sections of each of 50 tumors reveals varying degrees of subclonal diversification and genomic heterogeneity. The sequencing of cancer genomes may enable tailoring of therapeutics to the underlying biological abnormalities driving a particular patient's tumor. However, sequencing-based strategies rely heavily on representative sampling of tumors. To understand the subclonal structure of primary breast cancer, we applied whole-genome and targeted sequencing to multiple samples from each of 50 patients' tumors (303 samples in total). The extent of subclonal diversification varied among cases and followed spatial patterns. No strict temporal order was evident, with point mutations and rearrangements affecting the most common breast cancer genes, including PIK3CA, TP53, PTEN, BRCA2 and MYC, occurring early in some tumors and late in others. In 13 out of 50 cancers, potentially targetable mutations were subclonal. Landmarks of disease progression, such as resistance to chemotherapy and the acquisition of invasive or metastatic potential, arose within detectable subclones of antecedent lesions. These findings highlight the importance of including analyses of subclonal structure and tumor evolution in clinical trials of primary breast cancer.

Abstract A key mutational process in cancer is structural variation, in which rearrangements delete, amplify or reorder genomic segments that range in size from kilobases to whole chromosomes 1–7 . Here we develop methods to group, classify and describe somatic structural variants, using data from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), which aggregated whole-genome sequencing data from 2,658 cancers across 38 tumour types 8 . Sixteen signatures of structural variation emerged. Deletions have a multimodal size distribution, assort unevenly across tumour types and patients, are enriched in late-replicating regions and correlate with inversions. Tandem duplications also have a multimodal size distribution, but are enriched in early-replicating regions—as are unbalanced translocations. Replication-based mechanisms of rearrangement generate varied chromosomal structures with low-level copy-number gains and frequent inverted rearrangements. One prominent structure consists of 2–7 templates copied from distinct regions of the genome strung together within one locus. Such cycles of templated insertions correlate with tandem duplications, and—in liver cancer—frequently activate the telomerase gene TERT . A wide variety of rearrangement processes are active in cancer, which generate complex configurations of the genome upon which selection can act.

All cancers harbor molecular alterations in their genomes. The transcriptional consequences of these somatic mutations have not yet been comprehensively explored in lung cancer. Here we present the first large scale RNA sequencing study of lung adenocarcinoma, demonstrating its power to identify somatic point mutations as well as transcriptional variants such as gene fusions, alternative splicing events, and expression outliers. Our results reveal the genetic basis of 200 lung adenocarcinomas in Koreans including deep characterization of 87 surgical specimens by transcriptome sequencing. We identified driver somatic mutations in cancer genes including EGFR , KRAS , NRAS , BRAF , PIK3CA , MET , and CTNNB1 . Candidates for novel driver mutations were also identified in genes newly implicated in lung adenocarcinoma such as LMTK2 , ARID1A , NOTCH2 , and SMARCA4 . We found 45 fusion genes, eight of which were chimeric tyrosine kinases involving ALK , RET , ROS1 , FGFR2 , AXL , and PDGFRA . Among 17 recurrent alternative splicing events, we identified exon 14 skipping in the proto-oncogene MET as highly likely to be a cancer driver. The number of somatic mutations and expression outliers varied markedly between individual cancers and was strongly correlated with smoking history of patients. We identified genomic blocks within which gene expression levels were consistently increased or decreased that could be explained by copy number alterations in samples. We also found an association between lymph node metastasis and somatic mutations in TP53 . These findings broaden our understanding of lung adenocarcinoma and may also lead to new diagnostic and therapeutic approaches.

Abstract Chromothripsis is a mutational phenomenon characterized by massive, clustered genomic rearrangements that occurs in cancer and other diseases. Recent studies in selected cancer types have suggested that chromothripsis may be more common than initially inferred from low-resolution copy-number data. Here, 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), we analyze patterns of chromothripsis across 2,658 tumors from 38 cancer types using whole-genome sequencing data. We find that chromothripsis events are pervasive across cancers, with a frequency of more than 50% in several cancer types. Whereas canonical chromothripsis profiles display oscillations between two copy-number states, a considerable fraction of events involve multiple chromosomes and additional structural alterations. In addition to non-homologous end joining, we detect signatures of replication-associated processes and templated insertions. Chromothripsis contributes to oncogene amplification and to inactivation of genes such as mismatch-repair-related genes. These findings show that chromothripsis is a major process that drives genome evolution in human cancer.

The identification of the molecular events that drive cancer transformation is essential to the development of targeted agents that improve the clinical outcome of lung cancer. Many studies have reported genomic driver mutations in non-small-cell lung cancers (NSCLCs) over the past decade; however, the molecular pathogenesis of >40% of NSCLCs is still unknown. To identify new molecular targets in NSCLCs, we performed the combined analysis of massively parallel whole-genome and transcriptome sequencing for cancer and paired normal tissue of a 33-yr-old lung adenocarcinoma patient, who is a never-smoker and has no familial cancer history. The cancer showed no known driver mutation in EGFR or KRAS and no EML4-ALK fusion. Here we report a novel fusion gene between KIF5B and the RET proto-oncogene caused by a pericentric inversion of 10p11.22-q11.21. This fusion gene overexpresses chimeric RET receptor tyrosine kinase, which could spontaneously induce cellular transformation. We identified the KIF5B-RET fusion in two more cases out of 20 primary lung adenocarcinomas in the replication study. Our data demonstrate that a subset of NSCLCs could be caused by a fusion of KIF5B and RET, and suggest the chimeric oncogene as a promising molecular target for the personalized diagnosis and treatment of lung cancer.

Recent sequencing studies have extensively explored the somatic alterations present in the nuclear genomes of cancers. Although mitochondria control energy metabolism and apoptosis, the origins and impact of cancer-associated mutations in mtDNA are unclear. In this study, we analyzed somatic alterations in mtDNA from 1675 tumors. We identified 1907 somatic substitutions, which exhibited dramatic replicative strand bias, predominantly C > T and A > G on the mitochondrial heavy strand. This strand-asymmetric signature differs from those found in nuclear cancer genomes but matches the inferred germline process shaping primate mtDNA sequence content. A number of mtDNA mutations showed considerable heterogeneity across tumor types. Missense mutations were selectively neutral and often gradually drifted towards homoplasmy over time. In contrast, mutations resulting in protein truncation undergo negative selection and were almost exclusively heteroplasmic. Our findings indicate that the endogenous mutational mechanism has far greater impact than any other external mutagens in mitochondria and is fundamentally linked to mtDNA replication.

Purpose Histologic transformation of EGFR mutant lung adenocarcinoma (LADC) into small-cell lung cancer (SCLC) has been described as one of the major resistant mechanisms for epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitors (TKIs). However, the molecular pathogenesis is still unclear. Methods We investigated 21 patients with advanced EGFR-mutant LADCs that were transformed into EGFR TKI–resistant SCLCs. Among them, whole genome sequencing was applied for nine tumors acquired at various time points from four patients to reconstruct their clonal evolutionary history and to detect genetic predictors for small-cell transformation. The findings were validated by immunohistochemistry in 210 lung cancer tissues. Results We identified that EGFR TKI–resistant LADCs and SCLCs share a common clonal origin and undergo branched evolutionary trajectories. The clonal divergence of SCLC ancestors from the LADC cells occurred before the first EGFR TKI treatments, and the complete inactivation of both RB1 and TP53 were observed from the early LADC stages in sequenced tumors. We extended the findings by immunohistochemistry in the early-stage LADC tissues of 75 patients treated with EGFR TKIs; inactivation of both Rb and p53 was strikingly more frequent in the small-cell–transformed group than in the nontransformed group (82% v 3%; odds ratio, 131; 95% CI, 19.9 to 859). Among patients registered in a predefined cohort (n = 65), an EGFR mutant LADC that harbored completely inactivated Rb and p53 had a 43× greater risk of small-cell transformation (relative risk, 42.8; 95% CI, 5.88 to 311). Branch-specific mutational signature analysis revealed that apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like (APOBEC)–induced hypermutation was frequent in the branches toward small-cell transformation. Conclusion EGFR TKI–resistant SCLCs are branched out early from the LADC clones that harbor completely inactivated RB1 and TP53. The evaluation of RB1 and TP53 status in EGFR TKI–treated LADCs is informative in predicting small-cell transformation.