Muscle-invasive bladder cancers (MIBCs) are biologically heterogeneous and have widely variable clinical outcomes and responses to conventional chemotherapy. We discovered three molecular subtypes of MIBC that resembled established molecular subtypes of breast cancer. Basal MIBCs shared biomarkers with basal breast cancers and were characterized by p63 activation, squamous differentiation, and more aggressive disease at presentation. Luminal MIBCs contained features of active PPARγ and estrogen receptor transcription and were enriched with activating FGFR3 mutations and potential FGFR inhibitor sensitivity. p53-like MIBCs were consistently resistant to neoadjuvant methotrexate, vinblastine, doxorubicin and cisplatin chemotherapy, and all chemoresistant tumors adopted a p53-like phenotype after therapy. Our observations have important implications for prognostication, the future clinical development of targeted agents, and disease management with conventional chemotherapy.

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.

Responses to anti-PD-1 immunotherapy occur but are infrequent in bladder cancer. The specific T cells that mediate tumor rejection are unknown. T cells from human bladder tumors and non-malignant tissue were assessed with single-cell RNA and paired T cell receptor (TCR) sequencing of 30,604 T cells from 7 patients. We find that the states and repertoires of CD8+ T cells are not distinct in tumors compared with non-malignant tissues. In contrast, single-cell analysis of CD4+ T cells demonstrates several tumor-specific states, including multiple distinct states of regulatory T cells. Surprisingly, we also find multiple cytotoxic CD4+ T cell states that are clonally expanded. These CD4+ T cells can kill autologous tumors in an MHC class II-dependent fashion and are suppressed by regulatory T cells. Further, a gene signature of cytotoxic CD4+ T cells in tumors predicts a clinical response in 244 metastatic bladder cancer patients treated with anti-PD-L1.

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 Histologic variant (HV) subtypes of bladder cancer are clinically aggressive tumors that are more resistant to standard therapy compared to conventional urothelial carcinoma (UC). Little is known about the transcriptional programs that account for the morphological and biological differences in HV tumors. To investigate the tumor biology of HV bladder cancers, we generated a single cell RNA sequencing (scRNA- seq) atlas of nine HV tumors and three UC tumors. Our analyses revealed a tumor cell state specific to HVs that is characterized by expression of MUC16 (CA125) , KRT24 , and WISP2 . This CA125+ cell state bears transcriptional hallmarks of epithelial-mesenchymal transition, is enriched in metastases, is predicted to be highly chemotherapy resistant, and is linked with poor survival, suggesting that this cell state plays an important role in the aggressive biology of HV tumors. Our analyses also provide novel evidence of transcriptional “mimicry” between HVs and histologically similar non-urothelial cell types. Lastly, we identified higher expression of TM4SF1, a cell surface protein associated with cancer metastasis, in HV tumor cells compared to UC tumor cells. Finally, CAR T cells engineered against TM4SF1 protein demonstrated in vitro and in vivo activity against bladder cancer cell lines in a TM4SF1 expression- dependent manner, highlighting its potential as a therapeutic target in bladder cancer. One sentence summary Single cell RNA sequencing of primary bladder cancers identified a CA125+ cell state specific to histologic variants that is associated with aggressive biological features and TM4SF1 as a novel therapeutic target for histologic variant subtypes of bladder cancer which can be targeted by anti- TM4SF1 CAR T cells.

PURPOSE There is significant interest in identifying complete responders to neoadjuvant chemotherapy (NAC) before radical cystectomy (RC) to potentially avoid removal of a pathologically benign bladder. However, clinical restaging after NAC is highly inaccurate. The objective of this study was to develop a next-generation sequencing–based molecular assay using urine to enhance clinical staging of patients with bladder cancer. METHODS Urine samples from 20 and 44 patients with bladder cancer undergoing RC were prospectively collected for retrospective analysis for molecular correlate analysis from two clinical trials, respectively. The first cohort was used to benchmark the assay, and the second was used to determine the performance characteristics of the test as it correlates to responder status as measured by pathologic examination. RESULTS First, to benchmark the assay, known mutations identified in the tissue (M T ) of patients from the Accelerated Methotrexate, Vinblastine, Doxorubicin, Cisplatin trial (ClinicalTrials.gov identifier: NCT01611662 , n = 16) and a cohort from University of California-San Francisco (n = 4) were cross referenced against mutation profiles from urine (M U ). We then determined the correlation between M U persistence and residual disease in pre-RC urine samples from a second prospective clinical trial (The pT0 trial; ClinicalTrials.gov identifier: NCT02968732 ). Residual M U status correlated strongly with residual disease status (pT0 trial; n = 44; P = .0092) when M U from urine supernatant and urine pellet were assessed separately and analyzed in tandem. The sensitivity, specificity, PPV, and NPV were 91%, 50%, 86%, and 63% respectively, with an overall accuracy of 82% for this second cohort. CONCLUSION M U are representative of M T and thus can be used to enhance clinical staging of urothelial carcinoma. Urine biopsy may be used as a reliable tool that can be further developed to identify complete response to NAC in anticipation of safe RC avoidance.

Abstract Purpose Renal cell carcinoma (RCC) with venous tumor thrombus (VTT) arising from the primary tumor occurs in 4-10% of cases and is associated with advanced disease. RCC with VTT and distant metastasis represents a unique clinical entity, and provides opportunities to examine the origins and relative timing of tumor lesion emergence and to identify molecular correlates with disease state. Experimental Design We performed genomic and evolutionary analyses on 16 RCC patients with VTT, with eight also having metastases, using multi-region exome and RNA sequencing. Results No genomic alterations were specifically associated with the VTT or metastasis lesions; each tumor had multiple hallmark driver alterations, consistent with advanced disease state. We found that 21% (3/14) of clear-cell RCC cases could be assigned a previously defined “evolutionary subtype”. Somatic mutation signatures were largely consistent with previously established RCC signatures, and showed low heterogeneity across regions of each tumor. Mismatch repair and homologous recombination (“BRCA-ness”) deficiency signatures consistently co-occurred across most tumors, suggesting a pervasive role for intracellular DNA damage in RCC and the potential for related treatment strategies. Phylogenetic timing analysis of metastatic cases suggested that in most tumors, metastases branched from the primary tumor prior to formation of VTT and in some cases before diversification of the primary tumor. Both VTT and the earliest metastases were predicted to emerge many years prior to diagnosis. Transcriptional landscape analysis identified key differences distinguishing each lesion type from primary tumor: VTT upregulated TNF α signaling and associated inflammatory pathways, whereas metastases upregulated MTOR signaling. Conclusions Our results provide a map of how RCC tumors can evolve, with metastatic clones typically emerging early in RCC development and taking hold via MTOR signaling, and later formation of VTT via local inflammatory processes. Statement of Translational Relevance Renal cell carcinoma (RCC) is a deadly and relatively common malignancy, which often presents as or progresses to metastatic disease. We used multi-region sequencing of RCC patients with venous tumor thrombus (VTT) and metastasis to ask how and when new lesions arise from the primary tumor, and what genomic factors contribute to their spread. Phylogenetic analysis of patients with VTT and co-presenting metastases suggested that in most cases, the VTT and metastases derive from distinct tumor clones. Moreover, metastatic clones often appear many years prior to diagnosis. We found that local TNF α inflammation may contribute to VTT formation, whereas MTOR signaling is associated with metastases. Our study sheds light on the relationship of VTT and metastases, suggests therapeutic and biomarker strategies for RCC, and points to the need for early detection studies in RCC to better understand when metastases emerge and to identify at-risk patients.