We conducted comprehensive integrative molecular analyses of the complete set of tumors in The Cancer Genome Atlas (TCGA), consisting of approximately 10,000 specimens and representing 33 types of cancer. We performed molecular clustering using data on chromosome-arm-level aneuploidy, DNA hypermethylation, mRNA, and miRNA expression levels and reverse-phase protein arrays, of which all, except for aneuploidy, revealed clustering primarily organized by histology, tissue type, or anatomic origin. The influence of cell type was evident in DNA-methylation-based clustering, even after excluding sites with known preexisting tissue-type-specific methylation. Integrative clustering further emphasized the dominant role of cell-of-origin patterns. Molecular similarities among histologically or anatomically related cancer types provide a basis for focused pan-cancer analyses, such as pan-gastrointestinal, pan-gynecological, pan-kidney, and pan-squamous cancers, and those related by stemness features, which in turn may inform strategies for future therapeutic development.

We report a comprehensive analysis of 412 muscle-invasive bladder cancers characterized by multiple TCGA analytical platforms. Fifty-eight genes were significantly mutated, and the overall mutational load was associated with APOBEC-signature mutagenesis. Clustering by mutation signature identified a high-mutation subset with 75% 5-year survival. mRNA expression clustering refined prior clustering analyses and identified a poor-survival “neuronal” subtype in which the majority of tumors lacked small cell or neuroendocrine histology. Clustering by mRNA, long non-coding RNA (lncRNA), and miRNA expression converged to identify subsets with differential epithelial-mesenchymal transition status, carcinoma in situ scores, histologic features, and survival. Our analyses identified 5 expression subtypes that may stratify response to different treatments.

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.

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.

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.

Highlights•SCCs show chromosome or methylation alterations affecting multiple related genes•These regulate squamous stemness, differentiation, growth, survival, and inflammation•Copy-quiet SCCs have hypermethylated (FANCF, TET1) or mutated (CASP8, MAPK-RAS) genes•Potential targets include ΔNp63, WEE1, IAPs, PI3K-mTOR/MAPK, and immune responsesSummaryThis 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.Graphical abstract

Abstract African-American (AA) men are more than twice as likely to die of prostate cancer (PCa) than European American (EA) men. Previous in-silico analysis revealed enrichment of altered lipid metabolic pathways in pan-cancer AA tumors. Here, we performed global unbiased lipidomics profiling on 48 matched localized PCa and benign adjacent tissues (30 AA, 24 ancestry-verified, and 18 EA, 8 ancestry verified) and quantified 429 lipids belonging to 15 lipid classes. Significant alterations in long chain polyunsaturated lipids was observed between PCa and benign adjacent tissues, low and high Gleason tumors, as well as associated with early biochemical recurrence, both in the entire cohort, and within AA patients. Altered levels of cholesteryl esters, and phosphatidyl inositols delineated AA and EA PCa, while levels of triglycerides, phosphatidyl glycerol, phosphatidyl choline, phosphatidic acid and cholesteryl esters distinguished AA and EA PCa patients with biochemical recurrence. These first-in-field results implicate lipid alterations as biological factors for prostate cancer disparities.

Abstract Renal oncocytoma and chromophobe renal cell carcinoma are two kidney cancer types that present a diagnostic challenge to pathologists and other clinicians due to their microscopic similarities. While RO is a benign renal neoplasm, ChRCC is considered malignant. Therefore, the differentiation between the two is crucial. In this study, we introduce an explainable framework to accurately differentiate ChRCC from RO, histologically. Our approach examined H&E-stained images of 656 ChRCC and 720 RO, and achieved a diagnostic accuracy of 88.2%, the sensitivity of 87%, and 100% specificity for explainable AI, which either outperforms or operate on par with convolutional neural network (CNN) models. Besides, we enrolled 44 pathology experts (including pathologists and pathology trainees) to differentiate the two tumors. The average accuracy of pathologists was 73%, which is 15.2% lower than our framework. These results indicate that the combination of human expert along with explainable AI achieve higher accuracy in differentiating the two tumors, while it reduces the workload of experts and offers the desired explainability for the medical experts.