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.

To compare lung adenocarcinoma (ADC) and lung squamous cell carcinoma (SqCC) and to identify new drivers of lung carcinogenesis, we examined the exome sequences and copy number profiles of 660 lung ADC and 484 lung SqCC tumor-normal pairs. Recurrent alterations in lung SqCCs were more similar to those of other squamous carcinomas than to alterations in lung ADCs. New significantly mutated genes included PPP3CA, DOT1L, and FTSJD1 in lung ADC, RASA1 in lung SqCC, and KLF5, EP300, and CREBBP in both tumor types. New amplification peaks encompassed MIR21 in lung ADC, MIR205 in lung SqCC, and MAPK1 in both. Lung ADCs lacking receptor tyrosine kinase-Ras-Raf pathway alterations had mutations in SOS1, VAV1, RASA1, and ARHGAP35. Regarding neoantigens, 47% of the lung ADC and 53% of the lung SqCC tumors had at least five predicted neoepitopes. Although targeted therapies for lung ADC and SqCC are largely distinct, immunotherapies may aid in treatment for both subtypes.

Which genetic alterations drive tumorigenesis and how they evolve over the course of disease and therapy are central questions in cancer biology. Here we identify 44 recurrently mutated genes and 11 recurrent somatic copy number variations through whole-exome sequencing of 538 chronic lymphocytic leukaemia (CLL) and matched germline DNA samples, 278 of which were collected in a prospective clinical trial. These include previously unrecognized putative cancer drivers (RPS15, IKZF3), and collectively identify RNA processing and export, MYC activity, and MAPK signalling as central pathways involved in CLL. Clonality analysis of this large data set further enabled reconstruction of temporal relationships between driver events. Direct comparison between matched pre-treatment and relapse samples from 59 patients demonstrated highly frequent clonal evolution. Thus, large sequencing data sets of clinically informative samples enable the discovery of novel genes associated with cancer, the network of relationships between the driver events, and their impact on disease relapse and clinical outcome. This study reports exome sequencing of samples from 538 individuals with chronic lymphocytic leukaemia (CLL), including 278 collected as part of a prospective clinical trial; recurrently mutated genes are identified and pathways involved in CLL are highlighted, as well as their evolution in progression and disease relapse. The results of whole-exome sequencing (WES) of samples from 538 individuals with chronic lymphocytic leukaemia (CLL), including 278 collected as part of a prospective clinical trial, identify recurrently mutated genes and highlight pathways involved in the cancer, including RNA processing and export, MYC activity and MAPK signalling. Comparisons of samples from before and after exposure to a uniform treatment demonstrate a high frequency of clonal evolution in individuals with disease relapse.

Abstract Brain metastases are associated with a dismal prognosis. Whether brain metastases harbor distinct genetic alterations beyond those observed in primary tumors is unknown. We performed whole-exome sequencing of 86 matched brain metastases, primary tumors, and normal tissue. In all clonally related cancer samples, we observed branched evolution, where all metastatic and primary sites shared a common ancestor yet continued to evolve independently. In 53% of cases, we found potentially clinically informative alterations in the brain metastases not detected in the matched primary-tumor sample. In contrast, spatially and temporally separated brain metastasis sites were genetically homogenous. Distal extracranial and regional lymph node metastases were highly divergent from brain metastases. We detected alterations associated with sensitivity to PI3K/AKT/mTOR, CDK, and HER2/EGFR inhibitors in the brain metastases. Genomic analysis of brain metastases provides an opportunity to identify potentially clinically informative alterations not detected in clinically sampled primary tumors, regional lymph nodes, or extracranial metastases. Significance: Decisions for individualized therapies in patients with brain metastasis are often made from primary-tumor biopsies. We demonstrate that clinically actionable alterations present in brain metastases are frequently not detected in primary biopsies, suggesting that sequencing of primary biopsies alone may miss a substantial number of opportunities for targeted therapy. Cancer Discov; 5(11); 1164–77. ©2015 AACR. See related commentary by Stricker and Arteaga, p. 1124. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1111

We performed massively parallel sequencing of paired tumor/normal samples from 203 multiple myeloma (MM) patients and identified significantly mutated genes and copy number alterations and discovered putative tumor suppressor genes by determining homozygous deletions and loss of heterozygosity. We observed frequent mutations in KRAS (particularly in previously treated patients), NRAS, BRAF, FAM46C, TP53, and DIS3 (particularly in nonhyperdiploid MM). Mutations were often present in subclonal populations, and multiple mutations within the same pathway (e.g., KRAS, NRAS, and BRAF) were observed in the same patient. In vitro modeling predicts only partial treatment efficacy of targeting subclonal mutations, and even growth promotion of nonmutated subclones in some cases. These results emphasize the importance of heterogeneity analysis for treatment decisions.

Abstract Most patients with BRAFV600-mutant metastatic melanoma develop resistance to selective RAF kinase inhibitors. The spectrum of clinical genetic resistance mechanisms to RAF inhibitors and options for salvage therapy are incompletely understood. We performed whole-exome sequencing on formalin-fixed, paraffin-embedded tumors from 45 patients with BRAFV600-mutant metastatic melanoma who received vemurafenib or dabrafenib monotherapy. Genetic alterations in known or putative RAF inhibitor resistance genes were observed in 23 of 45 patients (51%). Besides previously characterized alterations, we discovered a “long tail” of new mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway alterations (MAP2K2, MITF) that confer RAF inhibitor resistance. In three cases, multiple resistance gene alterations were observed within the same tumor biopsy. Overall, RAF inhibitor therapy leads to diverse clinical genetic resistance mechanisms, mostly involving MAPK pathway reactivation. Novel therapeutic combinations may be needed to achieve durable clinical control of BRAFV600-mutant melanoma. Integrating clinical genomics with preclinical screens may model subsequent resistance studies. Significance: The use of RAF inhibitors for BRAFV600-mutant metastatic melanoma improves patient outcomes, but most patients demonstrate early or acquired resistance to this targeted therapy. We reveal the genetic landscape of clinical resistance mechanisms to RAF inhibitors from patients using whole-exome sequencing, and experimentally assess new observed mechanisms to define potential subsequent treatment strategies. Cancer Discov; 4(1); 94–109. ©2013 AACR. See related commentary by Solit and Rosen, p. 27 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1

Large-scale genomic characterization of tumors from prospective cohort studies may yield new insights into cancer pathogenesis. We performed whole-exome sequencing of 619 incident colorectal cancers (CRCs) and integrated the results with tumor immunity, pathology, and survival data. We identified recurrently mutated genes in CRC, such as BCL9L, RBM10, CTCF, and KLF5, that were not previously appreciated in this disease. Furthermore, we investigated the genomic correlates of immune-cell infiltration and found that higher neoantigen load was positively associated with overall lymphocytic infiltration, tumor-infiltrating lymphocytes (TILs), memory T cells, and CRC-specific survival. The association with TILs was evident even within microsatellite-stable tumors. We also found positive selection of mutations in HLA genes and other components of the antigen-processing machinery in TIL-rich tumors. These results may inform immunotherapeutic approaches in CRC. More generally, this study demonstrates a framework for future integrative molecular epidemiology research in colorectal and other malignancies.

Cervical cancer is responsible for 10-15% of cancer-related deaths in women worldwide. The aetiological role of infection with high-risk human papilloma viruses (HPVs) in cervical carcinomas is well established. Previous studies have also implicated somatic mutations in PIK3CA, PTEN, TP53, STK11 and KRAS as well as several copy-number alterations in the pathogenesis of cervical carcinomas. Here we report whole-exome sequencing analysis of 115 cervical carcinoma-normal paired samples, transcriptome sequencing of 79 cases and whole-genome sequencing of 14 tumour-normal pairs. Previously unknown somatic mutations in 79 primary squamous cell carcinomas include recurrent E322K substitutions in the MAPK1 gene (8%), inactivating mutations in the HLA-B gene (9%), and mutations in EP300 (16%), FBXW7 (15%), NFE2L2 (4%), TP53 (5%) and ERBB2 (6%). We also observe somatic ELF3 (13%) and CBFB (8%) mutations in 24 adenocarcinomas. Squamous cell carcinomas have higher frequencies of somatic nucleotide substitutions occurring at cytosines preceded by thymines (Tp*C sites) than adenocarcinomas. Gene expression levels at HPV integration sites were statistically significantly higher in tumours with HPV integration compared with expression of the same genes in tumours without viral integration at the same site. These data demonstrate several recurrent genomic alterations in cervical carcinomas that suggest new strategies to combat this disease.

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.