Massively parallel DNA sequencing technologies provide an unprecedented ability to screen entire genomes for genetic changes associated with tumour progression. Here we describe the genomic analyses of four DNA samples from an African-American patient with basal-like breast cancer: peripheral blood, the primary tumour, a brain metastasis and a xenograft derived from the primary tumour. The metastasis contained two de novo mutations and a large deletion not present in the primary tumour, and was significantly enriched for 20 shared mutations. The xenograft retained all primary tumour mutations and displayed a mutation enrichment pattern that resembled the metastasis. Two overlapping large deletions, encompassing CTNNA1, were present in all three tumour samples. The differential mutation frequencies and structural variation patterns in metastasis and xenograft compared with the primary tumour indicate that secondary tumours may arise from a minority of cells within the primary tumour. With the latest DNA sequencing technologies it is now possible to screen an entire genome for the genetic changes associated with tumour progression. This approach has been used to obtain complete sequences of four DNA samples from a 44-year-old African-American patient with basal-like breast cancer: the primary tumour, peripheral blood, a brain metastasis and a first-passage xenograft derived from the primary tumour. Mutational analysis suggests that the metastasis tumour specifically selects a subset of cells from the primary tumour that contain pre-existing mutations, and also develops a small number of de novo mutations. Massively parallel DNA sequencing allows entire genomes to be screened for genetic changes associated with tumour progression. Here, the genomes of four DNA samples from a 44-year-old African-American patient with basal-like breast cancer were analysed. The samples came from peripheral blood, the primary tumour, a brain metastasis and a xenograft derived from the primary tumour. The findings indicate that cells with a distinct subset of the primary tumour mutation might be selected during metastasis and xenografting.

To correlate the variable clinical features of oestrogen-receptor-positive breast cancer with somatic alterations, we studied pretreatment tumour biopsies accrued from patients in two studies of neoadjuvant aromatase inhibitor therapy by massively parallel sequencing and analysis. Eighteen significantly mutated genes were identified, including five genes (RUNX1, CBFB, MYH9, MLL3 and SF3B1) previously linked to haematopoietic disorders. Mutant MAP3K1 was associated with luminal A status, low-grade histology and low proliferation rates, whereas mutant TP53 was associated with the opposite pattern. Moreover, mutant GATA3 correlated with suppression of proliferation upon aromatase inhibitor treatment. Pathway analysis demonstrated that mutations in MAP2K4, a MAP3K1 substrate, produced similar perturbations as MAP3K1 loss. Distinct phenotypes in oestrogen-receptor-positive breast cancer are associated with specific patterns of somatic mutations that map into cellular pathways linked to tumour biology, but most recurrent mutations are relatively infrequent. Prospective clinical trials based on these findings will require comprehensive genome sequencing.

To characterize patient-derived xenografts (PDXs) for functional studies, we made whole-genome comparisons with originating breast cancers representative of the major intrinsic subtypes. Structural and copy number aberrations were found to be retained with high fidelity. However, at the single-nucleotide level, variable numbers of PDX-specific somatic events were documented, although they were only rarely functionally significant. Variant allele frequencies were often preserved in the PDXs, demonstrating that clonal representation can be transplantable. Estrogen-receptor-positive PDXs were associated with ESR1 ligand-binding-domain mutations, gene amplification, or an ESR1/YAP1 translocation. These events produced different endocrine-therapy-response phenotypes in human, cell line, and PDX endocrine-response studies. Hence, deeply sequenced PDX models are an important resource for the search for genome-forward treatment options and capture endocrine-drug-resistance etiologies that are not observed in standard cell lines. The originating tumor genome provides a benchmark for assessing genetic drift and clonal representation after transplantation.

Purpose Preoperative aromatase inhibitor (AI) treatment promotes breast-conserving surgery (BCS) for estrogen receptor (ER) –positive breast cancer. To study this treatment option, responses to three AIs were compared in a randomized phase II neoadjuvant trial designed to select agents for phase III investigations. Patients and Methods Three hundred seventy-seven postmenopausal women with clinical stage II to III ER-positive (Allred score 6-8) breast cancer were randomly assigned to receive neoadjuvant exemestane, letrozole, or anastrozole. The primary end point was clinical response. Secondary end points included BCS, Ki67 proliferation marker changes, the Preoperative Endocrine Prognostic Index (PEPI), and PAM50-based intrinsic subtype analysis. Results On the basis of clinical response rates, letrozole and anastrozole were selected for further investigation; however, no other differences in surgical outcome, PEPI score, or Ki67 suppression were detected. The BCS rate for mastectomy-only patients at presentation was 51%. PAM50 analysis identified AI-unresponsive nonluminal subtypes (human epidermal growth factor receptor 2 enriched or basal-like) in 3.3% of patients. Clinical response and surgical outcomes were similar in luminal A (LumA) versus luminal B tumors; however, a PEPI of 0 (best prognostic group) was highest in the LumA subset (27.1% v 10.7%; P = .004). Conclusion Neoadjuvant AI treatment markedly improved surgical outcomes. Ki67 and PEPI data demonstrated that the three agents tested are biologically equivalent and therefore likely to have similar adjuvant activities. LumA tumors were more likely to have favorable biomarker characteristics after treatment; however, occasional paradoxical increases in Ki67 (12% of tumors with > 5% increase after therapy) suggest treatment-resistant cells, present in some LumA tumors, can be detected by post-treatment profiling.

Purpose To determine the pathologic complete response (pCR) rate in estrogen receptor (ER) –positive primary breast cancer triaged to chemotherapy when the protein encoded by the MKI67 gene (Ki67) level was > 10% after 2 to 4 weeks of neoadjuvant aromatase inhibitor (AI) therapy. A second objective was to examine risk of relapse using the Ki67-based Preoperative Endocrine Prognostic Index (PEPI). Methods The American College of Surgeons Oncology Group (ACOSOG) Z1031A trial enrolled postmenopausal women with stage II or III ER-positive (Allred score, 6 to 8) breast cancer whose treatment was randomly assigned to neoadjuvant AI therapy with anastrozole, exemestane, or letrozole. For the trial ACOSOG Z1031B, the protocol was amended to include a tumor Ki67 determination after 2 to 4 weeks of AI. If the Ki67 was > 10%, patients were switched to neoadjuvant chemotherapy. A pCR rate of > 20% was the predefined efficacy threshold. In patients who completed neoadjuvant AI, stratified Cox modeling was used to assess whether time to recurrence differed by PEPI = 0 score (T1 or T2, N0, Ki67 < 2.7%, ER Allred > 2) versus PEPI > 0 disease. Results Only two of the 35 patients in ACOSOG Z1031B who were switched to neoadjuvant chemotherapy experienced a pCR (5.7%; 95% CI, 0.7% to 19.1%). After 5.5 years of median follow-up, four (3.7%) of the 109 patients with a PEPI = 0 score relapsed versus 49 (14.4%) of 341 of patients with PEPI > 0 (recurrence hazard ratio [PEPI = 0 v PEPI > 0], 0.27; P = .014; 95% CI, 0.092 to 0.764). Conclusion Chemotherapy efficacy was lower than expected in ER-positive tumors exhibiting AI-resistant proliferation. The optimal therapy for these patients should be further investigated. For patients with PEPI = 0 disease, the relapse risk over 5 years was only 3.6% without chemotherapy, supporting the study of adjuvant endocrine monotherapy in this group. These Ki67 and PEPI triage approaches are being definitively studied in the ALTERNATE trial (Alternate Approaches for Clinical Stage II or III Estrogen Receptor Positive Breast Cancer Neoadjuvant Treatment in Postmenopausal Women: A Phase III Study; clinical trial information: NCT01953588).

Abstract Ductal carcinoma in situ (DCIS) is a pre-invasive lesion that is thought to be a precursor to invasive breast cancer (IBC). To understand how the tumor microenvironment (TME) changes with transition to IBC, we used Multiplexed Ion Beam Imaging by time of flight (MIBI-TOF) and a 37-plex antibody staining panel to analyze 140 clinically annotated surgical resections covering the full spectrum of breast cancer progression. We compared normal, DCIS, and IBC tissues using machine learning tools for multiplexed cell segmentation, pixel-based clustering, and object morphometrics. Transition from DCIS to IBC was found to occur along a trajectory marked by coordinated shifts in location and function of myoepithelium, fibroblasts, and infiltrating immune cells in the surrounding stroma. Taken together, this comprehensive study within the HTAN Breast PreCancer Atlas offers insight into the etiologies of DCIS, its transition to IBC, and emphasizes the importance of the TME stroma in promoting these processes.

SUMMARY Ductal carcinoma in situ (DCIS) is the most common precursor of invasive breast cancer (IBC), with variable propensity for progression. We have performed the first multiscale, integrated profiling of DCIS with clinical outcomes by analyzing 677 DCIS samples from 481 patients with 7.1 years median follow-up from the Translational Breast Cancer Research Consortium (TBCRC) 038 study and the Resource of Archival Breast Tissue (RAHBT) cohorts. We identified 812 genes associated with ipsilateral recurrence within 5 years from treatment and developed a classifier that was predictive of DCIS or IBC recurrence in both cohorts. Pathways associated with recurrence include proliferation, immune response, and metabolism. Distinct stromal expression patterns and immune cell compositions were identified. Our multiscale approach employed in situ methods to generate a spatially resolved atlas of breast precancers, where complementary modalities can be directly compared and correlated with conventional pathology findings, disease states, and clinical outcome. HIGHLIGHTS ⍰ Development of a new classifier for DCIS recurrence or progression ⍰ Outcome associated pathways identified across multiple data types and compartments ⍰ Four stroma-specific signatures identified ⍰ CNAs characterize DCIS subgroups associated with high risk invasive cancers