Gastric cancer is a leading cause of cancer deaths, but analysis of its molecular and clinical characteristics has been complicated by histological and aetiological heterogeneity. Here we describe a comprehensive molecular evaluation of 295 primary gastric adenocarcinomas as part of The Cancer Genome Atlas (TCGA) project. We propose a molecular classification dividing gastric cancer into four subtypes: tumours positive for Epstein-Barr virus, which display recurrent PIK3CA mutations, extreme DNA hypermethylation, and amplification of JAK2, CD274 (also known as PD-L1) and PDCD1LG2 (also known as PD-L2); microsatellite unstable tumours, which show elevated mutation rates, including mutations of genes encoding targetable oncogenic signalling proteins; genomically stable tumours, which are enriched for the diffuse histological variant and mutations of RHOA or fusions involving RHO-family GTPase-activating proteins; and tumours with chromosomal instability, which show marked aneuploidy and focal amplification of receptor tyrosine kinases. Identification of these subtypes provides a roadmap for patient stratification and trials of targeted therapies.

Summary

 We performed an extensive immunogenomic analysis of more than 10,000 tumors comprising 33 diverse cancer types by utilizing data compiled by TCGA. Across cancer types, we identified six immune subtypes—wound healing, IFN-γ dominant, inflammatory, lymphocyte depleted, immunologically quiet, and TGF-β dominant—characterized by differences in macrophage or lymphocyte signatures, Th1:Th2 cell ratio, extent of intratumoral heterogeneity, aneuploidy, extent of neoantigen load, overall cell proliferation, expression of immunomodulatory genes, and prognosis. Specific driver mutations correlated with lower (CTNNB1, NRAS, or IDH1) or higher (BRAF, TP53, or CASP8) leukocyte levels across all cancers. Multiple control modalities of the intracellular and extracellular networks (transcription, microRNAs, copy number, and epigenetic processes) were involved in tumor-immune cell interactions, both across and within immune subtypes. Our immunogenomics pipeline to characterize these heterogeneous tumors and the resulting data are intended to serve as a resource for future targeted studies to further advance the field.

The Cancer Genome Atlas profiled 279 head and neck squamous cell carcinomas (HNSCCs) to provide a comprehensive landscape of somatic genomic alterations. Here we show that human-papillomavirus-associated tumours are dominated by helical domain mutations of the oncogene PIK3CA, novel alterations involving loss of TRAF3, and amplification of the cell cycle gene E2F1. Smoking-related HNSCCs demonstrate near universal loss-of-function TP53 mutations and CDKN2A inactivation with frequent copy number alterations including amplification of 3q26/28 and 11q13/22. A subgroup of oral cavity tumours with favourable clinical outcomes displayed infrequent copy number alterations in conjunction with activating mutations of HRAS or PIK3CA, coupled with inactivating mutations of CASP8, NOTCH1 and TP53. Other distinct subgroups contained loss-of-function alterations of the chromatin modifier NSD1, WNT pathway genes AJUBA and FAT1, and activation of oxidative stress factor NFE2L2, mainly in laryngeal tumours. Therapeutic candidate alterations were identified in most HNSCCs. The Cancer Genome Atlas presents an integrative genome-wide analysis of genetic alterations in 279 head and neck squamous cell carcinomas (HNSCCs), which are classified by human papillomavirus (HPV) status; alterations in EGFR, FGFR, PIK3CA and cyclin-dependent kinases are shown to represent candidate targets for therapeutic intervention in most HNSCCs. Squamous cell head and neck cancer is one of the most common and deadly cancers. Despite initial responses to combinations of surgery, radiation and chemotherapy, approximately half of all tumours recur, usually within two years of initial diagnosis. Molecular markers and targeted therapies have had little impact on this disease to date. Here, The Cancer Genome Atlas team presents a detailed genome-wide overview of alterations and highlights critical genetic events of potential biological and clinical significance in head and neck squamous cell carcinomas (HNSCCs) with different human papillomavirus status. Mutational profiles reveal distinct subgroups of HNSCCs. Mutations in EGFR, FGFRs, PIK3CA and cyclin-dependent kinases represent candidate targets for therapeutic intervention in the majority of HNSCCs.

Urothelial carcinoma of the bladder is a common malignancy that causes approximately 150,000 deaths per year worldwide. So far, no molecularly targeted agents have been approved for treatment of the disease. As part of The Cancer Genome Atlas project, we report here an integrated analysis of 131 urothelial carcinomas to provide a comprehensive landscape of molecular alterations. There were statistically significant recurrent mutations in 32 genes, including multiple genes involved in cell-cycle regulation, chromatin regulation, and kinase signalling pathways, as well as 9 genes not previously reported as significantly mutated in any cancer. RNA sequencing revealed four expression subtypes, two of which (papillary-like and basal/squamous-like) were also evident in microRNA sequencing and protein data. Whole-genome and RNA sequencing identified recurrent in-frame activating FGFR3–TACC3 fusions and expression or integration of several viruses (including HPV16) that are associated with gene inactivation. Our analyses identified potential therapeutic targets in 69% of the tumours, including 42% with targets in the phosphatidylinositol-3-OH kinase/AKT/mTOR pathway and 45% with targets (including ERBB2) in the RTK/MAPK pathway. Chromatin regulatory genes were more frequently mutated in urothelial carcinoma than in any other common cancer studied so far, indicating the future possibility of targeted therapy for chromatin abnormalities. This paper reports integrative molecular analyses of urothelial bladder carcinoma at the DNA, RNA, and protein levels performed as part of The Cancer Genome Atlas project; recurrent mutations were found in 32 genes, including those involved in cell-cycle regulation, chromatin regulation and kinase signalling pathways; chromatin regulatory genes were more frequently mutated in urothelial carcinoma than in any other common cancer studied so far. This study of 131 high-grade muscle-invasive urothelial bladder carcinomas, part of The Cancer Genome Atlas (TCGA) project, reports recurrent mutations in 32 genes, including those involved in cell-cycle regulation, chromatin regulation and kinase signalling pathways. Chromatin regulatory genes were more frequently mutated in urothelial carcinoma than in any common cancer studied to date. Recurrent in-frame activating FGFR3–TACC3 fusions and expression or integration of viruses associated with gene inactivation are also identified. Importantly, potential therapeutic targets are identified in 69% of the tumours.

In Rspondin-based 3D cultures, Lgr5 stem cells from multiple organs form ever-expanding epithelial organoids that retain their tissue identity. We report the establishment of tumor organoid cultures from 20 consecutive colorectal carcinoma (CRC) patients. For most, organoids were also generated from adjacent normal tissue. Organoids closely recapitulate several properties of the original tumor. The spectrum of genetic changes within the "living biobank" agrees well with previous large-scale mutational analyses of CRC. Gene expression analysis indicates that the major CRC molecular subtypes are represented. Tumor organoids are amenable to high-throughput drug screens allowing detection of gene-drug associations. As an example, a single organoid culture was exquisitely sensitive to Wnt secretion (porcupine) inhibitors and carried a mutation in the negative Wnt feedback regulator RNF43, rather than in APC. Organoid technology may fill the gap between cancer genetics and patient trials, complement cell-line- and xenograft-based drug studies, and allow personalized therapy design. PAPERCLIP.

The tumor microenvironment of colorectal carcinoma is a complex community of genomically altered cancer cells, nonneoplastic cells, and a diverse collection of microorganisms. Each of these components may contribute to carcinogenesis; however, the role of the microbiota is the least well understood. We have characterized the composition of the microbiota in colorectal carcinoma using whole genome sequences from nine tumor/normal pairs. Fusobacterium sequences were enriched in carcinomas, confirmed by quantitative PCR and 16S rDNA sequence analysis of 95 carcinoma/normal DNA pairs, while the Bacteroidetes and Firmicutes phyla were depleted in tumors. Fusobacteria were also visualized within colorectal tumors using FISH. These findings reveal alterations in the colorectal cancer microbiota; however, the precise role of Fusobacteria in colorectal carcinoma pathogenesis requires further investigation.

Colorectal cancers comprise a complex mixture of malignant cells, nontransformed cells, and microorganisms. Fusobacterium nucleatum is among the most prevalent bacterial species in colorectal cancer tissues. Here we show that colonization of human colorectal cancers with Fusobacterium and its associated microbiome-including Bacteroides, Selenomonas, and Prevotella species-is maintained in distal metastases, demonstrating microbiome stability between paired primary and metastatic tumors. In situ hybridization analysis revealed that Fusobacterium is predominantly associated with cancer cells in the metastatic lesions. Mouse xenografts of human primary colorectal adenocarcinomas were found to retain viable Fusobacterium and its associated microbiome through successive passages. Treatment of mice bearing a colon cancer xenograft with the antibiotic metronidazole reduced Fusobacterium load, cancer cell proliferation, and overall tumor growth. These observations argue for further investigation of antimicrobial interventions as a potential treatment for patients with Fusobacterium-associated colorectal cancer.

Cervical cancer is responsible for 10-15% of cancer-related deaths in women worldwide. The aetiological role of infection with high-risk human papilloma viruses (HPVs) in cervical carcinomas is well established. Previous studies have also implicated somatic mutations in PIK3CA, PTEN, TP53, STK11 and KRAS as well as several copy-number alterations in the pathogenesis of cervical carcinomas. Here we report whole-exome sequencing analysis of 115 cervical carcinoma-normal paired samples, transcriptome sequencing of 79 cases and whole-genome sequencing of 14 tumour-normal pairs. Previously unknown somatic mutations in 79 primary squamous cell carcinomas include recurrent E322K substitutions in the MAPK1 gene (8%), inactivating mutations in the HLA-B gene (9%), and mutations in EP300 (16%), FBXW7 (15%), NFE2L2 (4%), TP53 (5%) and ERBB2 (6%). We also observe somatic ELF3 (13%) and CBFB (8%) mutations in 24 adenocarcinomas. Squamous cell carcinomas have higher frequencies of somatic nucleotide substitutions occurring at cytosines preceded by thymines (Tp*C sites) than adenocarcinomas. Gene expression levels at HPV integration sites were statistically significantly higher in tumours with HPV integration compared with expression of the same genes in tumours without viral integration at the same site. These data demonstrate several recurrent genomic alterations in cervical carcinomas that suggest new strategies to combat this disease.

Significance A significant proportion of head and neck cancer is driven by human papillomavirus (HPV) infection, and the expression of viral oncogenes is involved in the development of these tumors. However, the role of HPV integration in primary tumors beyond increasing the expression of viral oncoproteins is not understood. Here, we describe how HPV integration impacts the host genome by amplification of oncogenes and disruption of tumor suppressors as well as driving inter- and intrachromosomal rearrangements. Tumors that do and do not have HPV integrants display distinct gene expression profiles and DNA methylation patterns, which further support the view that the mechanisms by which tumors with integrated and nonintegrated HPV arise are distinct.

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