The sequence of the mouse genome is a key informational tool for understanding the contents of the human genome and a key experimental tool for biomedical research. Here, we report the results of an international collaboration to produce a high-quality draft sequence of the mouse genome. We also present an initial comparative analysis of the mouse and human genomes, describing some of the insights that can be gleaned from the two sequences. We discuss topics including the analysis of the evolutionary forces shaping the size, structure and sequence of the genomes; the conservation of large-scale synteny across most of the genomes; the much lower extent of sequence orthology covering less than half of the genomes; the proportions of the genomes under selection; the number of protein-coding genes; the expansion of gene families related to reproduction and immunity; the evolution of proteins; and the identification of intraspecies polymorphism.

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.

Abstract Molecular profiling of the tumour immune microenvironment (TIME) has enabled the rational choice of immunotherapies in some adult cancers. In contrast, the TIME of paediatric cancers is relatively unexplored. We speculated that a more refined appreciation of the TIME in childhood cancers, rather than a reliance on commonly used biomarkers such as tumour mutation burden (TMB), neoantigen load and PD-L1 expression, is an essential prerequisite for improved immunotherapies in childhood solid cancers. We combined immunohistochemistry (IHC) and molecular profiling to develop an alternative, expression-based signature associated with CD8 + T-cell infiltration of the TIME in high-risk paediatric tumours. Using this novel 15-gene immune signature, Immune Paediatric Signature Score (IPASS), we estimate up to 31% of high-risk cancers harbour infiltrating T-cells. Our data provides new insights into the variable immune-suppressive mechanisms dampening responses in paediatric solid cancers. Effective immune-based interventions in high-risk paediatric cancer will require individualised analysis of the TIME.

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.

Background: Multiple recurrences after complete resection and irradiation of supratentorial ependymoma are common and frequently result in patient death. However, the molecular basis for treatment resistance, the impact that radiation and other adjuvant therapies have in promoting recurrence, and the use of this information to rationally design effective approaches to treat recurrent ependymoma are unknown. Due to the rarity of these tumors and the even less likely banking of multiple recurrent samples from the same patient, we initiated a study to characterize the evolution of a single patient's ependymoma in response to therapy. Methods and Findings: A combination of high depth, whole genome and exome-based DNA sequencing of germline and tumor specimens, RNA sequencing of tumor specimens, and advanced computational analyses were employed to reconstruct the natural history of a supratentorial ependymoma case in which there were four local recurrences. The findings reveal the extent to which treatment with radiation and chemotherapies resulted in the diversification of the tumor subclonal architecture and shaped the neo-antigen landscape, and provide new insights into possible molecular mechanisms of oncogenesis, treatment response and recurrence. Conclusions: Although the recurrent tumors we studied were clearly shaped by therapy, the founding clone was never eradicated by any treatment. We conclude that DNA and RNA sequencing may provide critical prognostic indicators to identify ependymoma patients that should be observed, rather than irradiated, post gross total resection.

Aggressive cancers often have activating mutations in growth controlling oncogenes and inactivating mutations in tumor-suppressor genes. In neuroblastoma, amplification of the MYCN oncogene and inactivation of the ATRX tumor-suppressor gene correlate with high-risk disease and poor prognosis. Here we show that ATRX mutations and MYCN amplification are mutually exclusive across all ages and stages in neuroblastoma. Using human cell lines and mouse models, we found that elevated MYCN expression and ATRX mutations are incompatible. Elevated MYCN levels promote metabolic reprogramming, mitochondrial dysfunction, reactive-oxygen species generation, and DNA replicative stress. The combination of replicative stress caused by defects in the ATRX histone chaperone complex and that induced by MYCN mediated metabolic reprogramming leads to synthetic lethality. Therefore, ATRX and MYCN represent an unusual example, where inactivation of a tumor-suppressor gene and activation of an oncogene are incompatible. This synthetic lethality may eventually be exploited to improve outcomes for patients with high risk neuroblastoma.