Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

We conducted the largest investigation of predisposition variants in cancer to date, discovering 853 pathogenic or likely pathogenic variants in 8% of 10,389 cases from 33 cancer types. Twenty-one genes showed single or cross-cancer associations, including novel associations of SDHA in melanoma and PALB2 in stomach adenocarcinoma. The 659 predisposition variants and 18 additional large deletions in tumor suppressors, including ATM, BRCA1, and NF1, showed low gene expression and frequent (43%) loss of heterozygosity or biallelic two-hit events. We also discovered 33 such variants in oncogenes, including missenses in MET, RET, and PTPN11 associated with high gene expression. We nominated 47 additional predisposition variants from prioritized VUSs supported by multiple evidences involving case-control frequency, loss of heterozygosity, expression effect, and co-localization with mutations and modified residues. Our integrative approach links rare predisposition variants to functional consequences, informing future guidelines of variant classification and germline genetic testing in cancer.

We analyzed molecular data on 2,579 tumors from The Cancer Genome Atlas (TCGA) of four gynecological types plus breast. Our aims were to identify shared and unique molecular features, clinically significant subtypes, and potential therapeutic targets. We found 61 somatic copy-number alterations (SCNAs) and 46 significantly mutated genes (SMGs). Eleven SCNAs and 11 SMGs had not been identified in previous TCGA studies of the individual tumor types. We found functionally significant estrogen receptor-regulated long non-coding RNAs (lncRNAs) and gene/lncRNA interaction networks. Pathway analysis identified subtypes with high leukocyte infiltration, raising potential implications for immunotherapy. Using 16 key molecular features, we identified five prognostic subtypes and developed a decision tree that classified patients into the subtypes based on just six features that are assessable in clinical laboratories.

This integrated, multiplatform PanCancer Atlas study co-mapped and identified distinguishing molecular features of squamous cell carcinomas (SCCs) from five sites associated with smoking and/or human papillomavirus (HPV). SCCs harbor 3q, 5p, and other recurrent chromosomal copy-number alterations (CNAs), DNA mutations, and/or aberrant methylation of genes and microRNAs, which are correlated with the expression of multi-gene programs linked to squamous cell stemness, epithelial-to-mesenchymal differentiation, growth, genomic integrity, oxidative damage, death, and inflammation. Low-CNA SCCs tended to be HPV(+) and display hypermethylation with repression of TET1 demethylase and FANCF, previously linked to predisposition to SCC, or harbor mutations affecting CASP8, RAS-MAPK pathways, chromatin modifiers, and immunoregulatory molecules. We uncovered hypomethylation of the alternative promoter that drives expression of the ΔNp63 oncogene and embedded miR944. Co-expression of immune checkpoint, T-regulatory, and Myeloid suppressor cells signatures may explain reduced efficacy of immune therapy. These findings support possibilities for molecular classification and therapeutic approaches.

Muscle-Invasive Bladder Cancer (MIBC) is a molecularly diverse disease with heterogeneous clinical outcomes. Several molecular classifications have been proposed, yielding diverse sets of subtypes. This diversity hampers the clinical application of such knowledge. Here, we report the results of a large international effort to reach a consensus on MIBC molecular subtypes. Using 1750 MIBC transcriptomes and a network-based analysis of six independent MIBC classification systems, we identified a consensus set of six molecular classes: Luminal Papillary (24%), Luminal Non-Specified (8%), Luminal Unstable (15%), Stroma-rich (15%), Basal/Squamous (35%), and Neuroendocrine-like (3%). These consensus classes differ regarding underlying oncogenic mechanisms, infiltration by immune and stromal cells, and histological and clinical characteristics. This consensus system offers a robust framework that will enable testing and validating predictive biomarkers in future clinical trials.

Abstract Forkhead Box A1 (FOXA1) is a pioneer transcription factor critical in epigenetic regulation of chromatin and cell fate determination. Reduced FOXA1 expression is an independent predictor of poor overall survival in bladder cancer patients. However, the impact of FOXA1 loss on chromatin epigenetics in bladder cancer is unknown. Therefore, we determined the impact of FOXA1 knock out (KO) on epigenetic modification of chromatin and associated gene expression. We identified 8,230 differentially expressed genes following FOXA1 KO. Surprisingly, Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) identified IFNɑ/ɣ gene expression signatures as enriched following FOXA1 KO. FOXA1 KO induced both increased and decreased numbers of histone 3 lysine 27 acetylation (H3K27ac) sites throughout the genome. As expected, the majority of differences in H3K27ac across genomic areas in FOXA1 KO cells is mapped to intergenic and intronic regions where enhancers reside. In addition, a subset of differential H3K27ac levels were also mapped to proximal promoters and within gene bodies. Integrated analysis of RNA/ChIP-seq data shows changes in gene expression that are mirrored by differences in H3K27ac. Motif analysis of DNA sequence enriched for H3K27ac identified significant increases in transcription factor binding motifs including the interferon sensitive response element (ISRE) and interferon response factors such as IRF1. Moreover, we identified increased H3K27ac of regulatory elements as being associated with several upregulated interferon sensitive genes (ISGs) in FOXA1 KO cells, including CD274 /PD-L1. Western blotting and Q-RT-PCR confirmed upregulation of CD274 /PD-L1 following FOXA1 KO. Analysis of TCGA data confirmed an inverse relationship between FOXA1 and CD274 in bladder cancer, as well as in other cancers. In summary, we provide evidence of widespread epigenetic reprogramming after FOXA1 KO in bladder cancer cells. Additionally, we provide evidence that FOXA1 KO-induced epigenetic changes contribute to activation of a global interferon-dominant expression signature, including the immune checkpoint target CD274 /PD-L1 in a cancer cell-intrinsic manner.

Bladder cancers (BCs) can be divided into 2 major subgroups displaying distinct clinical behaviors and mutational profiles: basal/squamous (BASQ) tumors that tend to be muscle invasive, and luminal/papillary (LP) tumors that are exophytic and tend to be non-invasive. Pparg is a likely driver of LP BC and has been suggested to act as a tumor suppressor in BASQ tumors, where it is likely suppressed by MEK-dependent phosphorylation. Here we tested the effects of rosiglitazone, a Pparg agonist, in a mouse model of BBN-induced muscle invasive BC. Rosiglitazone activated Pparg signaling in suprabasal epithelial layers of tumors but not in basal-most layers containing highly proliferative invasive cells, reducing proliferation but not affecting tumor survival. Addition of trametinib, a MEK inhibitor, induced Pparg signaling throughout all tumor layers, and eradicated 91% of tumors within 7-days of treatment. The 2-drug combination also activated a luminal differentiation program, reversing squamous metaplasia in the urothelium of tumor-bearing mice. Paired ATAC-RNA-seq analysis revealed that tumor apoptosis was most likely linked to down-regulation of Bcl-2 and other pro-survival genes, while the shift from BASQ to luminal differentiation was associated with activation of the retinoic acid pathway and upregulation of Kdm6a, a lysine demethylase that facilitates retinoid-signaling. Our data suggest that rosiglitazone, trametinib, and retinoids, which are all FDA approved, may be clinically active in BASQ tumors in patients. That muscle invasive tumors are populated by basal and suprabasal cell types with different responsiveness to PPARG agonists will be an important consideration when designing new treatments.

Modern digital pathology departments have grown to produce whole-slide image data at petabyte scale, an unprecedented treasure chest for medical machine learning tasks. Unfortunately, most digital slides are not annotated at the image level, hindering large-scale application of supervised learning. Manual labeling is prohibitive, requiring pathologists with decades of training and outstanding clinical service responsibilities. This problem is further aggravated by the United States Food and Drug Administration's ruling that primary diagnosis must come from a glass slide rather than a digital image. We present the first end-to-end framework to overcome this problem, gathering annotations in a nonintrusive manner during a pathologist's routine clinical work: (i) microscope-specific 3D-printed commodity camera mounts are used to video record the glass-slide-based clinical diagnosis process; (ii) after routine scanning of the whole slide, the video frames are registered to the digital slide; (iii) motion and observation time are estimated to generate a spatial and temporal saliency map of the whole slide. Demonstrating the utility of these annotations, we train a convolutional neural network that detects diagnosis-relevant salient regions, then report accuracy of 85.15% in bladder and 91.40% in prostate, with 75.00% accuracy when training on prostate but predicting in bladder, despite different pathologists examining the different tissues. When training on one patient but testing on another, AUROC in bladder is 0.7929+-0.1109 and in prostate is 0.9568+-0.0374. Our tool is available at https://bitbucket.org/aschaumberg/deepscope

Abstract Background: Inhibition of programmed death-ligand one (PD-L1) with atezolizumab can induce durable clinical benefit (DCB) in patients with metastatic urothelial cancers, including complete remissions in patients with chemotherapy refractory disease. Although mutation load and PD-L1 immune cell (IC) staining have been associated with response, they lack sufficient sensitivity and specificity for clinical use. Thus, there is a need to evaluate the peripheral blood immune environment and to conduct detailed analyses of mutation load, predicted neoantigens and immune cellular infiltration in tumors to enhance our understanding of the biologic underpinnings of response and resistance. Methods and Findings: The goals of this study were to (1) evaluate the association of mutation load and predicted neoantigen load with therapeutic benefit, and (2) determine whether intratumoral and peripheral blood T cell receptor (TCR) clonality inform clinical outcomes in urothelial carcinoma treated with atezolizumab. We hypothesized that an elevated mutation load in combination with T cell clonal dominance among intratumoral lymphocytes prior to treatment or among peripheral T cells after treatment would be associated with effective tumor control upon treatment with anti-PD-L1 therapy. We performed whole exome sequencing (WES), RNA sequencing (RNA-seq), and T cell receptor sequencing (TCR-seq) of pre-treatment tumor samples as well as TCR sequencing of matched, serially collected peripheral blood collected before and after treatment with atezolizumab. These parameters were assessed for correlation with DCB (defined as progression free survival (PFS) > 6 months), PFS, and overall survival (OS), both alone and in the context of clinical and intratumoral parameters known to be predictive of survival in this disease state. Patients with DCB displayed a higher proportion of tumor infiltrating T lymphocytes (TIL) (n=24, Mann-Whitney p=0.047). Pre-treatment peripheral blood TCR clonality below the median was associated with improved PFS (n=29, log-rank p=0.048) and OS (n=29, log-rank p=0.011). Patients with DCB also demonstrated more substantial expansion of tumor-associated TCR clones in the peripheral blood 3 weeks after starting treatment (n=22, Mann-Whitney p=0.022). The combination of high pre-treatment peripheral blood TCR clonality with elevated PD-L1 IC staining in tumor tissue was strongly associated with poor clinical outcomes (n=10, HR (mean)=89.88, HR (median)=23.41, 95% CI (2.43, 506.94), p(HR>1)=0.0014). Marked variations in mutation loads were seen with different somatic variant calling methodologies, which in turn impacted associations with clinical outcomes. Missense mutation load, predicted neoantigen load and expressed neoantigen load did not demonstrate significant association with DCB (n=25, Mann-Whitney p=0.22, n=25, Mann-Whitney p=0.55, and n=25, Mann-Whitney p=0.29 respectively). Instead, we found evidence of time-varying effects of somatic mutation load on progression-free survival in this cohort (n=25, p=0.044). A limitation of our study is its small sample size (n=29), a subset of the patients treated on IMvigor 210 ( NCT02108652 ). Given the number of exploratory analyses performed, we intend for these results to be hypothesis-generating. Conclusions: These results demonstrate the complex nature of immune response to checkpoint blockade and the compelling need for greater interrogation and data integration of both host and tumor factors. Incorporating these variables in prospective studies will facilitate identification and treatment of resistant patients.