A technique for conveniently radiolabeling DNA restriction endonuclease fragments to high specific activity is described. DNA fragments are purified from agarose gels directly by ethanol precipitation and are then denatured and labeled with the large fragment of DNA polymerase I, using random oligonucleotides as primers. Over 70% of the precursor triphosphate is routinely incorporated into complementary DNA, and specific activities of over 109 dpm/μg of DNA can be obtained using relatively small amounts of precursor. These “oligolabeled” DNA fragments serve as efficient probes in filter hybridization experiments.

Somatic mutations have the potential to encode "non-self" immunogenic antigens. We hypothesized that tumors with a large number of somatic mutations due to mismatch-repair defects may be susceptible to immune checkpoint blockade.We conducted a phase 2 study to evaluate the clinical activity of pembrolizumab, an anti-programmed death 1 immune checkpoint inhibitor, in 41 patients with progressive metastatic carcinoma with or without mismatch-repair deficiency. Pembrolizumab was administered intravenously at a dose of 10 mg per kilogram of body weight every 14 days in patients with mismatch repair-deficient colorectal cancers, patients with mismatch repair-proficient colorectal cancers, and patients with mismatch repair-deficient cancers that were not colorectal. The coprimary end points were the immune-related objective response rate and the 20-week immune-related progression-free survival rate.The immune-related objective response rate and immune-related progression-free survival rate were 40% (4 of 10 patients) and 78% (7 of 9 patients), respectively, for mismatch repair-deficient colorectal cancers and 0% (0 of 18 patients) and 11% (2 of 18 patients) for mismatch repair-proficient colorectal cancers. The median progression-free survival and overall survival were not reached in the cohort with mismatch repair-deficient colorectal cancer but were 2.2 and 5.0 months, respectively, in the cohort with mismatch repair-proficient colorectal cancer (hazard ratio for disease progression or death, 0.10 [P<0.001], and hazard ratio for death, 0.22 [P=0.05]). Patients with mismatch repair-deficient noncolorectal cancer had responses similar to those of patients with mismatch repair-deficient colorectal cancer (immune-related objective response rate, 71% [5 of 7 patients]; immune-related progression-free survival rate, 67% [4 of 6 patients]). Whole-exome sequencing revealed a mean of 1782 somatic mutations per tumor in mismatch repair-deficient tumors, as compared with 73 in mismatch repair-proficient tumors (P=0.007), and high somatic mutation loads were associated with prolonged progression-free survival (P=0.02).This study showed that mismatch-repair status predicted clinical benefit of immune checkpoint blockade with pembrolizumab. (Funded by Johns Hopkins University and others; ClinicalTrials.gov number, NCT01876511.).

Because most colorectal carcinomas appear to arise from adenomas, studies of different stages of colorectal neoplasia may shed light on the genetic alterations involved in tumor progression. We looked for four genetic alterations (ras-gene mutations and allelic deletions of chromosomes 5, 17, and 18) in 172 colorectal-tumor specimens representing various stages of neoplastic development. The specimens consisted of 40 predominantly early-stage adenomas from 7 patients with familial adenomatous polyposis, 40 adenomas (19 without associated foci of carcinoma and 21 with such foci) from 33 patients without familial polyposis, and 92 carcinomas resected from 89 patients. We found that ras-gene mutations occurred in 58 percent of adenomas larger than 1 cm and in 47 percent of carcinomas. However, ras mutations were found in only 9 percent of adenomas under 1 cm in size. Sequences on chromosome 5 that are linked to the gene for familial adenomatous polyposis were not lost in adenomas from the patients with polyposis but were lost in 29 to 35 percent of adenomas and carcinomas, respectively, from other patients. A specific region of chromosome 18 was deleted frequently in carcinomas (73 percent) and in advanced adenomas (47 percent) but only occasionally in earlier-stage adenomas (11 to 13 percent). Chromosome 17p sequences were usually lost only in carcinomas (75 percent). The four molecular alterations accumulated in a fashion that paralleled the clinical progression of tumors. These results are consistent with a model of colorectal tumorigenesis in which the steps required for the development of cancer often involve the mutational activation of an oncogene coupled with the loss of several genes that normally suppress tumorigenesis.

The p53 tumour-suppressor gene integrates numerous signals that control cell life and death. As when a highly connected node in the Internet breaks down, the disruption of p53 has severe consequences.

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and lethal type of brain cancer. To identify the genetic alterations in GBMs, we sequenced 20,661 protein coding genes, determined the presence of amplifications and deletions using high-density oligonucleotide arrays, and performed gene expression analyses using next-generation sequencing technologies in 22 human tumor samples. This comprehensive analysis led to the discovery of a variety of genes that were not known to be altered in GBMs. Most notably, we found recurrent mutations in the active site of isocitrate dehydrogenase 1 ( IDH1 ) in 12% of GBM patients. Mutations in IDH1 occurred in a large fraction of young patients and in most patients with secondary GBMs and were associated with an increase in overall survival. These studies demonstrate the value of unbiased genomic analyses in the characterization of human brain cancer and identify a potentially useful genetic alteration for the classification and targeted therapy of GBMs.

Predicting responses to immunotherapy Colon cancers with loss-of-function mutations in the mismatch repair (MMR) pathway have favorable responses to PD-1 blockade immunotherapy. In a phase 2 clinical trial, Le et al. showed that treatment success is not just limited to colon cancer (see the Perspective by Goswami and Sharma). They found that a wide range of different cancer types with MMR deficiency also responded to PD-1 blockade. The trial included some patients with pancreatic cancer, which is one of the deadliest forms of cancer. The clinical trial is still ongoing, and around 20% of patients have so far achieved a complete response. MMR deficiency appears to be a biomarker for predicting successful treatment outcomes for several solid tumors and indicates a new therapeutic option for patients harboring MMR-deficient cancers. Science , this issue p. 409 ; see also p. 358

A recent genomewide mutational analysis of glioblastomas (World Health Organization [WHO] grade IV glioma) revealed somatic mutations of the isocitrate dehydrogenase 1 gene (IDH1) in a fraction of such tumors, most frequently in tumors that were known to have evolved from lower-grade gliomas (secondary glioblastomas).

The development of noninvasive methods to detect and monitor tumors continues to be a major challenge in oncology. We used digital polymerase chain reaction-based technologies to evaluate the ability of circulating tumor DNA (ctDNA) to detect tumors in 640 patients with various cancer types. We found that ctDNA was detectable in >75% of patients with advanced pancreatic, ovarian, colorectal, bladder, gastroesophageal, breast, melanoma, hepatocellular, and head and neck cancers, but in less than 50% of primary brain, renal, prostate, or thyroid cancers. In patients with localized tumors, ctDNA was detected in 73, 57, 48, and 50% of patients with colorectal cancer, gastroesophageal cancer, pancreatic cancer, and breast adenocarcinoma, respectively. ctDNA was often present in patients without detectable circulating tumor cells, suggesting that these two biomarkers are distinct entities. In a separate panel of 206 patients with metastatic colorectal cancers, we showed that the sensitivity of ctDNA for detection of clinically relevant KRAS gene mutations was 87.2% and its specificity was 99.2%. Finally, we assessed whether ctDNA could provide clues into the mechanisms underlying resistance to epidermal growth factor receptor blockade in 24 patients who objectively responded to therapy but subsequently relapsed. Twenty-three (96%) of these patients developed one or more mutations in genes involved in the mitogen-activated protein kinase pathway. Together, these data suggest that ctDNA is a broadly applicable, sensitive, and specific biomarker that can be used for a variety of clinical and research purposes in patients with multiple different types of cancer.

Inactivation of the adenomatous polyposis coli ( APC ) tumor suppressor gene initiates colorectal neoplasia. One of the biochemical activities associated with the APC protein is down-regulation of transcriptional activation mediated by β-catenin and T cell transcription factor 4 (Tcf-4). The protein products of mutant APC genes present in colorectal tumors were found to be defective in this activity. Furthermore, colorectal tumors with intact APC genes were found to contain activating mutations of β-catenin that altered functionally significant phosphorylation sites. These results indicate that regulation of β-catenin is critical to APC's tumor suppressive effect and that this regulation can be circumvented by mutations in either APC or β-catenin.

There are currently few therapeutic options for patients with pancreatic cancer, and new insights into the pathogenesis of this lethal disease are urgently needed. Toward this end, we performed a comprehensive genetic analysis of 24 pancreatic cancers. We first determined the sequences of 23,219 transcripts, representing 20,661 protein-coding genes, in these samples. Then, we searched for homozygous deletions and amplifications in the tumor DNA by using microarrays containing probes for ∼10 6 single-nucleotide polymorphisms. We found that pancreatic cancers contain an average of 63 genetic alterations, the majority of which are point mutations. These alterations defined a core set of 12 cellular signaling pathways and processes that were each genetically altered in 67 to 100% of the tumors. Analysis of these tumors' transcriptomes with next-generation sequencing-by-synthesis technologies provided independent evidence for the importance of these pathways and processes. Our data indicate that genetically altered core pathways and regulatory processes only become evident once the coding regions of the genome are analyzed in depth. Dysregulation of these core pathways and processes through mutation can explain the major features of pancreatic tumorigenesis.