Gastric cancer is a leading cause of cancer deaths, but analysis of its molecular and clinical characteristics has been complicated by histological and aetiological heterogeneity. Here we describe a comprehensive molecular evaluation of 295 primary gastric adenocarcinomas as part of The Cancer Genome Atlas (TCGA) project. We propose a molecular classification dividing gastric cancer into four subtypes: tumours positive for Epstein-Barr virus, which display recurrent PIK3CA mutations, extreme DNA hypermethylation, and amplification of JAK2, CD274 (also known as PD-L1) and PDCD1LG2 (also known as PD-L2); microsatellite unstable tumours, which show elevated mutation rates, including mutations of genes encoding targetable oncogenic signalling proteins; genomically stable tumours, which are enriched for the diffuse histological variant and mutations of RHOA or fusions involving RHO-family GTPase-activating proteins; and tumours with chromosomal instability, which show marked aneuploidy and focal amplification of receptor tyrosine kinases. Identification of these subtypes provides a roadmap for patient stratification and trials of targeted therapies.

The elucidation of breast cancer subgroups and their molecular drivers requires integrated views of the genome and transcriptome from representative numbers of patients. We present an integrated analysis of copy number and gene expression in a discovery and validation set of 997 and 995 primary breast tumours, respectively, with long-term clinical follow-up. Inherited variants (copy number variants and single nucleotide polymorphisms) and acquired somatic copy number aberrations (CNAs) were associated with expression in ∼40% of genes, with the landscape dominated by cis- and trans-acting CNAs. By delineating expression outlier genes driven in cis by CNAs, we identified putative cancer genes, including deletions in PPP2R2A, MTAP and MAP2K4. Unsupervised analysis of paired DNA–RNA profiles revealed novel subgroups with distinct clinical outcomes, which reproduced in the validation cohort. These include a high-risk, oestrogen-receptor-positive 11q13/14 cis-acting subgroup and a favourable prognosis subgroup devoid of CNAs. Trans-acting aberration hotspots were found to modulate subgroup-specific gene networks, including a TCR deletion-mediated adaptive immune response in the ‘CNA-devoid’ subgroup and a basal-specific chromosome 5 deletion-associated mitotic network. Our results provide a novel molecular stratification of the breast cancer population, derived from the impact of somatic CNAs on the transcriptome. Integrative analysis of copy number and gene expression in 2,000 primary breast tumours with long-term clinical follow-up revealed putative cis-acting driver genes, novel subgroups and trans-acting aberration hotspots that modulate subgroup-specific gene networks.

Primary triple-negative breast cancers are shown to vary widely and continuously in the degree of clonal evolution and mutational content at the time of diagnosis, with implications for future studies of the disease. Samuel Aparicio et al. provide an in-depth genomic view of primary triple-negative breast cancers (TNBC), which represent approximately 16% of all breast cancers. TNBC cells are deficient in the expression of receptors for oestrogen, progesterone and epidermal growth factor. Through a combination of transcriptomic data and copy-number variation, this study shows that TNBCs vary widely and continuously in the content of clonal genotypes at the time of diagnosis. This means that future studies will need to consider individual tumour clonal genotypes. Primary triple-negative breast cancers (TNBCs), a tumour type defined by lack of oestrogen receptor, progesterone receptor and ERBB2 gene amplification, represent approximately 16% of all breast cancers1. Here we show in 104 TNBC cases that at the time of diagnosis these cancers exhibit a wide and continuous spectrum of genomic evolution, with some having only a handful of coding somatic aberrations in a few pathways, whereas others contain hundreds of coding somatic mutations. High-throughput RNA sequencing (RNA-seq) revealed that only approximately 36% of mutations are expressed. Using deep re-sequencing measurements of allelic abundance for 2,414 somatic mutations, we determine for the first time—to our knowledge—in an epithelial tumour subtype, the relative abundance of clonal frequencies among cases representative of the population. We show that TNBCs vary widely in their clonal frequencies at the time of diagnosis, with the basal subtype of TNBC2,3 showing more variation than non-basal TNBC. Although p53 (also known as TP53), PIK3CA and PTEN somatic mutations seem to be clonally dominant compared to other genes, in some tumours their clonal frequencies are incompatible with founder status. Mutations in cytoskeletal, cell shape and motility proteins occurred at lower clonal frequencies, suggesting that they occurred later during tumour progression. Taken together, our results show that understanding the biology and therapeutic responses of patients with TNBC will require the determination of individual tumour clonal genotypes.

Glioblastoma (GB) is the most common and aggressive primary brain malignancy, with poor prognosis and a lack of effective therapeutic options. Accumulating evidence suggests that intratumor heterogeneity likely is the key to understanding treatment failure. However, the extent of intratumor heterogeneity as a result of tumor evolution is still poorly understood. To address this, we developed a unique surgical multisampling scheme to collect spatially distinct tumor fragments from 11 GB patients. We present an integrated genomic analysis that uncovers extensive intratumor heterogeneity, with most patients displaying different GB subtypes within the same tumor. Moreover, we reconstructed the phylogeny of the fragments for each patient, identifying copy number alterations in EGFR and CDKN2A/B/p14ARF as early events, and aberrations in PDGFRA and PTEN as later events during cancer progression. We also characterized the clonal organization of each tumor fragment at the single-molecule level, detecting multiple coexisting cell lineages. Our results reveal the genome-wide architecture of intratumor variability in GB across multiple spatial scales and patient-specific patterns of cancer evolution, with consequences for treatment design.

Immunotherapies that block inhibitory checkpoint receptors on T cells have transformed the clinical care of patients with cancer1. However, whether the T cell response to checkpoint blockade relies on reinvigoration of pre-existing tumor-infiltrating lymphocytes or on recruitment of novel T cells remains unclear2–4. Here we performed paired single-cell RNA and T cell receptor sequencing on 79,046 cells from site-matched tumors from patients with basal or squamous cell carcinoma before and after anti-PD-1 therapy. Tracking T cell receptor clones and transcriptional phenotypes revealed coupling of tumor recognition, clonal expansion and T cell dysfunction marked by clonal expansion of CD8+CD39+ T cells, which co-expressed markers of chronic T cell activation and exhaustion. However, the expansion of T cell clones did not derive from pre-existing tumor-infiltrating T lymphocytes; instead, the expanded clones consisted of novel clonotypes that had not previously been observed in the same tumor. Clonal replacement of T cells was preferentially observed in exhausted CD8+ T cells and evident in patients with basal or squamous cell carcinoma. These results demonstrate that pre-existing tumor-specific T cells may have limited reinvigoration capacity, and that the T cell response to checkpoint blockade derives from a distinct repertoire of T cell clones that may have just recently entered the tumor. Following anti-PD-1 therapy in patients with basal or squamous cell carcinoma, the CD8+ T cell response largely consists of an expanded and exhausted repertoire of new T cell clones.

We present the genome-wide chromatin accessibility profiles of 410 tumor samples spanning 23 cancer types from The Cancer Genome Atlas (TCGA). We identify 562,709 transposase-accessible DNA elements that substantially extend the compendium of known cis-regulatory elements. Integration of ATAC-seq (the assay for transposase-accessible chromatin using sequencing) with TCGA multi-omic data identifies a large number of putative distal enhancers that distinguish molecular subtypes of cancers, uncovers specific driving transcription factors via protein-DNA footprints, and nominates long-range gene-regulatory interactions in cancer. These data reveal genetic risk loci of cancer predisposition as active DNA regulatory elements in cancer, identify gene-regulatory interactions underlying cancer immune evasion, and pinpoint noncoding mutations that drive enhancer activation and may affect patient survival. These results suggest a systematic approach to understanding the noncoding genome in cancer to advance diagnosis and therapy.

Christina Curtis, Darryl Shibata and colleagues report genomic profiling of 349 individual glands sampled from 15 human colorectal tumors. They observe high within-tumor heterogeneity and mixing of subclones in distant tumor regions, supporting a model whereby tumor growth occurs predominantly as a single expansion, with most detectable subclonal mutations arising during the earliest phases of tumor growth. What happens in early, still undetectable human malignancies is unknown because direct observations are impractical. Here we present and validate a 'Big Bang' model, whereby tumors grow predominantly as a single expansion producing numerous intermixed subclones that are not subject to stringent selection and where both public (clonal) and most detectable private (subclonal) alterations arise early during growth. Genomic profiling of 349 individual glands from 15 colorectal tumors showed an absence of selective sweeps, uniformly high intratumoral heterogeneity (ITH) and subclone mixing in distant regions, as postulated by our model. We also verified the prediction that most detectable ITH originates from early private alterations and not from later clonal expansions, thus exposing the profile of the primordial tumor. Moreover, some tumors appear 'born to be bad', with subclone mixing indicative of early malignant potential. This new model provides a quantitative framework to interpret tumor growth dynamics and the origins of ITH, with important clinical implications.

Summary

 Noncoding mutations in cancer genomes are frequent but challenging to interpret. PVT1 encodes an oncogenic lncRNA, but recurrent translocations and deletions in human cancers suggest alternative mechanisms. Here, we show that the PVT1 promoter has a tumor-suppressor function that is independent of PVT1 lncRNA. CRISPR interference of PVT1 promoter enhances breast cancer cell competition and growth in vivo. The promoters of the PVT1 and the MYC oncogenes, located 55 kb apart on chromosome 8q24, compete for engagement with four intragenic enhancers in the PVT1 locus, thereby allowing the PVT1 promoter to regulate pause release of MYC transcription. PVT1 undergoes developmentally regulated monoallelic expression, and the PVT1 promoter inhibits MYC expression only from the same chromosome via promoter competition. Cancer genome sequencing identifies recurrent mutations encompassing the human PVT1 promoter, and genome editing verified that PVT1 promoter mutation promotes cancer cell growth. These results highlight regulatory sequences of lncRNA genes as potential disease-associated DNA elements.

Image analysis of breast cancer tissue improves and complements genomic data to predict patient survival.