Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is characterized by near-universal loss of the short arm of chromosome 3, deleting several tumor suppressor genes. We analyzed whole genomes from 95 biopsies across 33 patients with clear cell renal cell carcinoma. We find hotspots of point mutations in the 5′ UTR of TERT, targeting a MYC-MAX-MAD1 repressor associated with telomere lengthening. The most common structural abnormality generates simultaneous 3p loss and 5q gain (36% patients), typically through chromothripsis. This event occurs in childhood or adolescence, generally as the initiating event that precedes emergence of the tumor’s most recent common ancestor by years to decades. Similar genomic changes drive inherited ccRCC. Modeling differences in age incidence between inherited and sporadic cancers suggests that the number of cells with 3p loss capable of initiating sporadic tumors is no more than a few hundred. Early development of ccRCC follows well-defined evolutionary trajectories, offering opportunity for early intervention.

All normal somatic cells are thought to acquire mutations, but understanding of the rates, patterns, causes and consequences of somatic mutations in normal cells is limited. The uterine endometrium adopts multiple physiological states over a lifetime and is lined by a gland-forming epithelium1,2. Here, using whole-genome sequencing, we show that normal human endometrial glands are clonal cell populations with total mutation burdens that increase at about 29 base substitutions per year and that are many-fold lower than those of endometrial cancers. Normal endometrial glands frequently carry ‘driver’ mutations in cancer genes, the burden of which increases with age and decreases with parity. Cell clones with drivers often originate during the first decades of life and subsequently progressively colonize the epithelial lining of the endometrium. Our results show that mutational landscapes differ markedly between normal tissues—perhaps shaped by differences in their structure and physiology—and indicate that the procession of neoplastic change that leads to endometrial cancer is initiated early in life. Whole-genome sequencing of normal human endometrial glands shows that most are clonal cell populations and frequently carry cancer driver mutations that occur early in life, and that parity has a protective effect.

Abstract About half of all cancers have somatic integrations of retrotransposons. Here, to characterize their role in oncogenesis, we analyzed the patterns and mechanisms of somatic retrotransposition in 2,954 cancer genomes from 38 histological cancer subtypes within the framework of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) project. We identified 19,166 somatically acquired retrotransposition events, which affected 35% of samples and spanned a range of event types. Long interspersed nuclear element (LINE-1; L1 hereafter) insertions emerged as the first most frequent type of somatic structural variation in esophageal adenocarcinoma, and the second most frequent in head-and-neck and colorectal cancers. Aberrant L1 integrations can delete megabase-scale regions of a chromosome, which sometimes leads to the removal of tumor-suppressor genes, and can induce complex translocations and large-scale duplications. Somatic retrotranspositions can also initiate breakage–fusion–bridge cycles, leading to high-level amplification of oncogenes. These observations illuminate a relevant role of 22 L1 retrotransposition in remodeling the cancer genome, with potential implications for the development of human tumors.

Abstract The multiple myeloma (MM) genome is heterogeneous and evolves through preclinical and post-diagnosis phases. Here we report a catalog and hierarchy of driver lesions using sequences from 67 MM genomes serially collected from 30 patients together with public exome datasets. Bayesian clustering defines at least 7 genomic subgroups with distinct sets of co-operating events. Focusing on whole genome sequencing data, complex structural events emerge as major drivers, including chromothripsis and a novel replication-based mechanism of templated insertions, which typically occur early. Hyperdiploidy also occurs early, with individual trisomies often acquired in different chronological windows during evolution, and with a preferred order of acquisition. Conversely, positively selected point mutations, whole genome duplication and chromoplexy events occur in later disease phases. Thus, initiating driver events, drawn from a limited repertoire of structural and numerical chromosomal changes, shape preferred trajectories of evolution that are biologically relevant but heterogeneous across patients.

We analyzed whole genomes of unique paired samples from smoldering multiple myeloma (SMM) patients progressing to multiple myeloma (MM). We report that the genomic landscape, including mutational profile and structural rearrangements at the smoldering stage is very similar to MM. Paired sample analysis shows two different patterns of progression: a "static progression model", where the subclonal architecture is retained as the disease progressed to MM suggesting that progression solely reflects the time needed to accumulate a sufficient disease burden; and a "spontaneous evolution model", where a change in the subclonal composition is observed. We also observe that activation-induced cytidine deaminase plays a major role in shaping the mutational landscape of early subclinical phases, while progression is driven by APOBEC cytidine deaminases. These results provide a unique insight into myelomagenesis with potential implications for the definition of smoldering disease and timing of treatment initiation.

Abstract A lymphocyte suffers many threats to its genome, including programmed mutation during differentiation, antigen-driven proliferation and residency in diverse microenvironments. After developing protocols for single-cell lymphocyte expansions, we sequenced whole genomes from 717 normal naive and memory B and T lymphocytes and hematopoietic stem cells. Lymphocytes carried more point mutations and structural variation than stem cells, accruing at higher rates in T than B cells, attributable to both exogenous and endogenous mutational processes. Ultraviolet light exposure and other sporadic mutational processes generated hundreds to thousands of mutations in some memory lymphocytes. Memory B cells acquired, on average, 18 off-target mutations genome-wide for every one on-target IGV mutation during the germinal center reaction. Structural variation was 16-fold higher in lymphocytes than stem cells, with ~15% of deletions being attributable to off-target RAG activity. One Sentence Summary: The mutational landscape of normal lymphocytes chronicles the off-target effects of programmed genome engineering during immunological diversification and the consequences of differentiation, proliferation and residency in diverse microenvironments.

Abstract Multiple myeloma (MM) is consistently preceded by precursor conditions recognized clinically as monoclonal gammopathy of undetermined significance (MGUS) or smoldering myeloma (SMM). We interrogate, for the first time, the whole genome sequence (WGS) profile of 18 MGUS and compare them with those from 14 SMMs and 80 MMs. We show that cases with a non-progressing, clinically stable myeloma precursor condition (n=15) are characterized by later initiation in the patient’s life and by the absence of myeloma defining genomic events including: chromothripsis, templated insertions, mutations in driver genes, aneuploidy, and canonical APOBEC mutational activity. This data provides evidence that WGS can be used to recognize two biologically and clinically distinct myeloma precursor entities that are either progressive or stable.

ABSTRACT Chimeric antigen receptor-reprogrammed autologous T cells directed to CD19 are breakthrough immunotherapies for heavily pretreated patients with aggressive B-cell lymphomas but still fail to cure most patients. Host inflammatory and tumor microenvironmental factors associate with CAR-19 resistance, but the tumor-intrinsic factors underlying these phenomena remain undefined. To characterize genomic drivers of resistance, we interrogated whole genome sequencing of 30 tumor samples from 28 uniformly CAR-19-treated large-cell lymphoma patients. We reveal that patterns of genomic complexity (i.e., chromothripsis and APOBEC mutational activity), and distinct genomic alterations (deletions of RB1 or RHOA ) associate with more exhausted immune microenvironments and poor outcome after CAR-19 therapy. Strikingly, pretreatment reduced expression or sub-clonal mutation of CD19 did not affect responses, suggesting CAR-19 therapy successes are due not only to direct antigen-dependent cytotoxicity but require surmounting immune exhaustion in tumor microenvironments to permit broader host responses that eliminate tumors.

Abstract Genomic rearrangements are a hallmark of most solid tumors, including medulloblastoma, one of the most common brain tumors in children. Childhood cancers involve dysregulated cell development, but their mutational causes remain largely unknown. One of the most common forms of medulloblastoma is caused by ectopic activation of Sonic Hedgehog (SHH) signaling in cerebellar granule cell progenitors, associated with genetic deletions, amplifications, and other oncogenic chromosomal rearrangements. Here, we show that PiggyBac Transposable Element Derived 5 (Pgbd5) promotes tumor development in multiple developmentally-accurate mouse models of SHH medulloblastoma. Most mice with Pgbd5 deficiency do not develop tumors, while Pgbd5 -deficient mice maintain largely normal cerebellar development. Mouse medulloblastomas expressing Pgbd5 exhibit significantly increased numbers of somatic structural DNA rearrangements, with PGBD5-specific transposon sequences at their breakpoints. Similar sequence breakpoints recurrently affect somatic DNA rearrangements of known tumor suppressors and oncogenes in medulloblastomas in 329 children. Therefore, this study identifies PGBD5 as a primary medulloblastoma mutator and provides a genetic mechanism responsible for the generation of somatic oncogenic DNA rearrangements in childhood cancer. One-Sentence Summary Induction of somatic oncogenic mutations by the DNA transposase PGBD5 in cerebellar progenitor cells promotes medulloblastoma development.

Despite advancements in profiling multiple myeloma (MM) and its precursor conditions, there is limited information on mechanisms underlying disease progression. Clincal efforts designed to deconvolute such mechanisms are challenged by the long lead time between monoclonal gammopathy and its transformation to MM. MM mouse models represent an opportunity to overcome this temporal limitation. Here, we profile the genomic landscape of 118 genetically engineered Vk*MYC MM and reveal that it recapitulates the genomic heterogenenity and life history of human MM. We observed recurrent copy number alterations, structural variations, chromothripsis, driver mutations, APOBEC mutational activity, and a progressive decrease in immunoglobulin transcription that inversely correlates with proliferation. Moreover, we identified frequent insertional mutagenesis by endogenous retro-elements as a murine specific mechanism to activate NF-kB and IL6 signaling pathways shared with human MM. Despite the increased genomic complexity associated with progression, advanced tumors remain dependent on MYC expression, that drives the progression of monoclonal gammopathy to MM.