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.).

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

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.

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.

The elucidation of the human genome sequence has made it possible to identify genetic alterations in cancers in unprecedented detail. To begin a systematic analysis of such alterations, we determined the sequence of well-annotated human protein-coding genes in two common tumor types. Analysis of 13,023 genes in 11 breast and 11 colorectal cancers revealed that individual tumors accumulate an average of ∼90 mutant genes but that only a subset of these contribute to the neoplastic process. Using stringent criteria to delineate this subset, we identified 189 genes (average of 11 per tumor) that were mutated at significant frequency. The vast majority of these genes were not known to be genetically altered in tumors and are predicted to affect a wide range of cellular functions, including transcription, adhesion, and invasion. These data define the genetic landscape of two human cancer types, provide new targets for diagnostic and therapeutic intervention, and open fertile avenues for basic research in tumor biology.

Human cancer is caused by the accumulation of mutations in oncogenes and tumor suppressor genes. To catalog the genetic changes that occur during tumorigenesis, we isolated DNA from 11 breast and 11 colorectal tumors and determined the sequences of the genes in the Reference Sequence database in these samples. Based on analysis of exons representing 20,857 transcripts from 18,191 genes, we conclude that the genomic landscapes of breast and colorectal cancers are composed of a handful of commonly mutated gene "mountains" and a much larger number of gene "hills" that are mutated at low frequency. We describe statistical and bioinformatic tools that may help identify mutations with a role in tumorigenesis. These results have implications for understanding the nature and heterogeneity of human cancers and for using personal genomics for tumor diagnosis and therapy.

Recent studies have shown that a locus responsible for hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC) is on chromosome 2p and that tumors developing in these patients contain alterations in microsatellite sequences (RER+ phenotype). We have used chromosome microdissection to obtain highly polymorphic markers from chromosome 2p16. These and other markers were ordered in a panel of somatic cell hybrids and used to define a 0.8 Mb interval containing the HNPCC locus. Candidate genes were then mapped, and one was found to lie within the 0.8 Mb interval. We identified this candidate by virtue of its homology to mutS mismatch repair genes. cDNA clones were obtained and the sequence used to detect germline mutations, including those producing termination codons, in HNPCC kindreds. Somatic as well as germline mutations of the gene were identified in RER+ tumor cells. This mutS homolog is therefore likely to be responsible for HNPCC.

SEEK and you may find cancer earlier Many cancers can be cured by surgery and/or systemic therapies when detected before they have metastasized. This clinical reality, coupled with the growing appreciation that cancer's rapid genetic evolution limits its response to drugs, have fueled interest in methodologies for earlier detection of the disease. Cohen et al. developed a noninvasive blood test, called CancerSEEK that can detect eight common human cancer types (see the Perspective by Kalinich and Haber). The test assesses eight circulating protein biomarkers and tumor-specific mutations in circulating DNA. In a study of 1000 patients previously diagnosed with cancer and 850 healthy control individuals, CancerSEEK detected cancer with a sensitivity of 69 to 98% (depending on cancer type) and 99% specificity. Science , this issue p. 926 ; see also p. 866

Some cases of hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC) are due to alterations in a mutS -related mismatch repair gene. A search of a large database of expressed sequence tags derived from random complementary DNA clones revealed three additional human mismatch repair genes, all related to the bacterial mutL gene. One of these genes ( hMLH1 ) resides on chromosome 3p21, within 1 centimorgan of markers previously linked to cancer susceptibility in HNPCC kindreds. Mutations of hMLH1 that would disrupt the gene product were identified in such kindreds, demonstrating that this gene is responsible for the disease. These results suggest that defects in any of several mismatch repair genes can cause HNPCC.

A rare but deadly form of human pancreatic cancer harbors mutations in chromatin remodeling genes.