A powerful way to discover key genes with causal roles in oncogenesis is to identify genomic regions that undergo frequent alteration in human cancers. Here we present high-resolution analyses of somatic copy-number alterations (SCNAs) from 3,131 cancer specimens, belonging largely to 26 histological types. We identify 158 regions of focal SCNA that are altered at significant frequency across several cancer types, of which 122 cannot be explained by the presence of a known cancer target gene located within these regions. Several gene families are enriched among these regions of focal SCNA, including the BCL2 family of apoptosis regulators and the NF-κΒ pathway. We show that cancer cells containing amplifications surrounding the MCL1 and BCL2L1 anti-apoptotic genes depend on the expression of these genes for survival. Finally, we demonstrate that a large majority of SCNAs identified in individual cancer types are present in several cancer types. Two Articles in this issue add major data sets to the growing picture of the cancer genome. Bignell et al. analysed a large number of homozygous gene deletions in a collection of 746 publicly available cancer cell lines. Combined with information about hemizygous deletions of the same genes, the data suggest that many deletions found in cancer reflect the position of a gene at a fragile site in the genome, rather than as a recessive cancer gene whose loss confers a selective growth advantage. Beroukhim et al. present the largest data set to date on somatic copy-number variations across more than 3,000 specimens of human primary cancers. Many alterations are shared between multiple tumour types. Functional experiments demonstrate an oncogenic role for the apoptosis genes MCL1 and BCL2L1 that are associated with amplifications found in many cancers. One way of discovering genes with key roles in cancer development is to identify genomic regions that are frequently altered in human cancers. Here, high-resolution analyses of somatic copy-number alterations (SCNAs) in numerous cancer specimens provide an overview of regions of focal SCNA that are altered at significant frequency across several cancer types. An oncogenic function is also found for the anti-apoptosis genes MCL1 and BCL2L1, which reside in amplified genome regions in many cancers.

Understanding the interactions between tumor and the host immune system is critical to finding prognostic biomarkers, reducing drug resistance, and developing new therapies. Novel computational methods are needed to estimate tumor-infiltrating immune cells and understand tumor–immune interactions in cancers. We analyze tumor-infiltrating immune cells in over 10,000 RNA-seq samples across 23 cancer types from The Cancer Genome Atlas (TCGA). Our computationally inferred immune infiltrates associate much more strongly with patient clinical features, viral infection status, and cancer genetic alterations than other computational approaches. Analysis of cancer/testis antigen expression and CD8 T-cell abundance suggests that MAGEA3 is a potential immune target in melanoma, but not in non-small cell lung cancer, and implicates SPAG5 as an alternative cancer vaccine target in multiple cancers. We find that melanomas expressing high levels of CTLA4 separate into two distinct groups with respect to CD8 T-cell infiltration, which might influence clinical responses to anti-CTLA4 agents. We observe similar dichotomy of TIM3 expression with respect to CD8 T cells in kidney cancer and validate it experimentally. The abundance of immune infiltration, together with our downstream analyses and findings, are accessible through TIMER, a public resource at http://cistrome.org/TIMER . We develop a computational approach to study tumor-infiltrating immune cells and their interactions with cancer cells. Our resource of immune-infiltrate levels, clinical associations, as well as predicted therapeutic markers may inform effective cancer vaccine and checkpoint blockade therapies.

Papillary renal-cell carcinoma, which accounts for 15 to 20% of renal-cell carcinomas, is a heterogeneous disease that consists of various types of renal cancer, including tumors with indolent, multifocal presentation and solitary tumors with an aggressive, highly lethal phenotype. Little is known about the genetic basis of sporadic papillary renal-cell carcinoma, and no effective forms of therapy for advanced disease exist.

SNF'ing out antitumor immunity Immune checkpoint inhibitors induce durable tumor regressions in some, but not all, cancer patients. Understanding the mechanisms that determine tumor sensitivity to these drugs could potentially expand the number of patients who benefit (see the Perspective by Ghorani and Quezada). Pan et al. discovered that tumor cells in which a specific SWI/SNF chromatin remodeling complex had been experimentally inactivated were more sensitive to T cell–mediated killing. The cells were more responsive to interferon-γ, leading to increased secretion of cytokines that promote antitumor immunity. Miao et al. examined the genomic features of tumors from patients with metastatic renal cell carcinoma who had been treated with immune checkpoint inhibitors. Tumors harboring inactivating mutations in PBRM1 , which encodes a subunit of the same SWI/SNF complex, were more likely to respond to the drugs. Science , this issue p. 770 , p. 801 ; see also p. 745

Abstract Brain metastases are associated with a dismal prognosis. Whether brain metastases harbor distinct genetic alterations beyond those observed in primary tumors is unknown. We performed whole-exome sequencing of 86 matched brain metastases, primary tumors, and normal tissue. In all clonally related cancer samples, we observed branched evolution, where all metastatic and primary sites shared a common ancestor yet continued to evolve independently. In 53% of cases, we found potentially clinically informative alterations in the brain metastases not detected in the matched primary-tumor sample. In contrast, spatially and temporally separated brain metastasis sites were genetically homogenous. Distal extracranial and regional lymph node metastases were highly divergent from brain metastases. We detected alterations associated with sensitivity to PI3K/AKT/mTOR, CDK, and HER2/EGFR inhibitors in the brain metastases. Genomic analysis of brain metastases provides an opportunity to identify potentially clinically informative alterations not detected in clinically sampled primary tumors, regional lymph nodes, or extracranial metastases. Significance: Decisions for individualized therapies in patients with brain metastasis are often made from primary-tumor biopsies. We demonstrate that clinically actionable alterations present in brain metastases are frequently not detected in primary biopsies, suggesting that sequencing of primary biopsies alone may miss a substantial number of opportunities for targeted therapy. Cancer Discov; 5(11); 1164–77. ©2015 AACR. See related commentary by Stricker and Arteaga, p. 1124. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1111

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.

Abstract Myeloid suppressor cells with high arginase activity are found in tumors and spleen of mice with colon and lung cancer. These cells, described as macrophages or immature dendritic cells, deplete arginine and impair T cell proliferation and cytokine production. Although arginase activity has been described in cancer patients, it is thought to originate from tumor cells metabolizing arginine to ornithine needed to sustain rapid cell proliferation. The goal of this study was to determine whether myeloid suppressor cells producing high arginase existed in renal cell carcinoma patients. Peripheral blood mononuclear cells from 123 patients with metastatic renal cell carcinoma, prior to treatment, were found to have a significantly increased arginase activity. These patients had a markedly decreased cytokine production and expressed low levels of T cell receptor CD3ζ chain. Cell separation studies showed that the increased arginase activity was limited to a specific subset of CD11b+, CD14−, CD15+ cells with a polymorphonuclear granulocyte morphology and markers, instead of macrophages or dendritic cells described in mouse models. Furthermore, these patients had low levels of arginine and high levels of ornithine in plasma. Depletion of the CD11b+, CD14− myeloid suppressor cells reestablished T cell proliferation and CD3ζ chain expression. These results showed, for the first time, the existence of suppressor myeloid cells producing arginase in human cancer patients. In addition, it supports the concept that blocking arginase may be an important step in the success of immunotherapy.

We describe the landscape of somatic genomic alterations of 66 chromophobe renal cell carcinomas (ChRCCs) on the basis of multidimensional and comprehensive characterization, including mtDNA and whole-genome sequencing. The result is consistent that ChRCC originates from the distal nephron compared with other kidney cancers with more proximal origins. Combined mtDNA and gene expression analysis implicates changes in mitochondrial function as a component of the disease biology, while suggesting alternative roles for mtDNA mutations in cancers relying on oxidative phosphorylation. Genomic rearrangements lead to recurrent structural breakpoints within TERT promoter region, which correlates with highly elevated TERT expression and manifestation of kataegis, representing a mechanism of TERT upregulation in cancer distinct from previously observed amplifications and point mutations.