We describe the landscape of genomic alterations in cutaneous melanomas through DNA, RNA, and protein-based analysis of 333 primary and/or metastatic melanomas from 331 patients. We establish a framework for genomic classification into one of four subtypes based on the pattern of the most prevalent significantly mutated genes: mutant BRAF, mutant RAS, mutant NF1, and Triple-WT (wild-type). Integrative analysis reveals enrichment of KIT mutations and focal amplifications and complex structural rearrangements as a feature of the Triple-WT subtype. We found no significant outcome correlation with genomic classification, but samples assigned a transcriptomic subclass enriched for immune gene expression associated with lymphocyte infiltrate on pathology review and high LCK protein expression, a T cell marker, were associated with improved patient survival. This clinicopathological and multi-dimensional analysis suggests that the prognosis of melanoma patients with regional metastases is influenced by tumor stroma immunobiology, offering insights to further personalize therapeutic decision-making.

Somatic mutations in cancer genomes are caused by multiple mutational processes, each of which generates a characteristic mutational signature

Abstract Cancer is driven by genetic change, and the advent of massively parallel sequencing has enabled systematic documentation of this variation at the whole-genome scale 1–3 . Here we report the integrative analysis of 2,658 whole-cancer genomes and their matching normal tissues across 38 tumour types from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA). We describe the generation of the PCAWG resource, facilitated by international data sharing using compute clouds. On average, cancer genomes contained 4–5 driver mutations when combining coding and non-coding genomic elements; however, in around 5% of cases no drivers were identified, suggesting that cancer driver discovery is not yet complete. Chromothripsis, in which many clustered structural variants arise in a single catastrophic event, is frequently an early event in tumour evolution; in acral melanoma, for example, these events precede most somatic point mutations and affect several cancer-associated genes simultaneously. Cancers with abnormal telomere maintenance often originate from tissues with low replicative activity and show several mechanisms of preventing telomere attrition to critical levels. Common and rare germline variants affect patterns of somatic mutation, including point mutations, structural variants and somatic retrotransposition. A collection of papers from the PCAWG Consortium describes non-coding mutations that drive cancer beyond those in the TERT promoter 4 ; identifies new signatures of mutational processes that cause base substitutions, small insertions and deletions and structural variation 5,6 ; analyses timings and patterns of tumour evolution 7 ; describes the diverse transcriptional consequences of somatic mutation on splicing, expression levels, fusion genes and promoter activity 8,9 ; and evaluates a range of more-specialized features of cancer genomes 8,10–18 .

Abstract A key mutational process in cancer is structural variation, in which rearrangements delete, amplify or reorder genomic segments that range in size from kilobases to whole chromosomes 1–7 . Here we develop methods to group, classify and describe somatic structural variants, using data from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), which aggregated whole-genome sequencing data from 2,658 cancers across 38 tumour types 8 . Sixteen signatures of structural variation emerged. Deletions have a multimodal size distribution, assort unevenly across tumour types and patients, are enriched in late-replicating regions and correlate with inversions. Tandem duplications also have a multimodal size distribution, but are enriched in early-replicating regions—as are unbalanced translocations. Replication-based mechanisms of rearrangement generate varied chromosomal structures with low-level copy-number gains and frequent inverted rearrangements. One prominent structure consists of 2–7 templates copied from distinct regions of the genome strung together within one locus. Such cycles of templated insertions correlate with tandem duplications, and—in liver cancer—frequently activate the telomerase gene TERT . A wide variety of rearrangement processes are active in cancer, which generate complex configurations of the genome upon which selection can act.

Abstract Chromothripsis is a mutational phenomenon characterized by massive, clustered genomic rearrangements that occurs in cancer and other diseases. Recent studies in selected cancer types have suggested that chromothripsis may be more common than initially inferred from low-resolution copy-number data. Here, as part of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), we analyze patterns of chromothripsis across 2,658 tumors from 38 cancer types using whole-genome sequencing data. We find that chromothripsis events are pervasive across cancers, with a frequency of more than 50% in several cancer types. Whereas canonical chromothripsis profiles display oscillations between two copy-number states, a considerable fraction of events involve multiple chromosomes and additional structural alterations. In addition to non-homologous end joining, we detect signatures of replication-associated processes and templated insertions. Chromothripsis contributes to oncogene amplification and to inactivation of genes such as mismatch-repair-related genes. These findings show that chromothripsis is a major process that drives genome evolution in human cancer.

Siyuan Zheng, Roel Verhaak and colleagues report an analysis of telomere lengths and somatic alterations in telomere-related pathways across 31 cancer types. Their study provides an overview of the molecular mechanisms driving TERT expression and activation of the ALT pathway, and identifies a subset of tumors with neither detectable TERT expression nor somatic alterations in ATRX or DAXX. Cancer cells survive cellular crisis through telomere maintenance mechanisms. We report telomere lengths in 18,430 samples, including tumors and non-neoplastic samples, across 31 cancer types. Telomeres were shorter in tumors than in normal tissues and longer in sarcomas and gliomas than in other cancers. Among 6,835 cancers, 73% expressed telomerase reverse transcriptase (TERT), which was associated with TERT point mutations, rearrangements, DNA amplifications and transcript fusions and predictive of telomerase activity. TERT promoter methylation provided an additional deregulatory TERT expression mechanism. Five percent of cases, characterized by undetectable TERT expression and alterations in ATRX or DAXX, demonstrated elongated telomeres and increased telomeric repeat–containing RNA (TERRA). The remaining 22% of tumors neither expressed TERT nor harbored alterations in ATRX or DAXX. In this group, telomere length positively correlated with TP53 and RB1 mutations. Our analysis integrates TERT abnormalities, telomerase activity and genomic alterations with telomere length in cancer.

Recognition of modified histone species by distinct structural domains within ‘reader’ proteins plays a critical role in the regulation of gene expression. Readers that simultaneously recognize histones with multiple marks allow transduction of complex chromatin modification patterns into specific biological outcomes. Here we report that chromatin regulator tripartite motif-containing 24 (TRIM24) functions in humans as a reader of dual histone marks by means of tandem plant homeodomain (PHD) and bromodomain (Bromo) regions. The three-dimensional structure of the PHD-Bromo region of TRIM24 revealed a single functional unit for combinatorial recognition of unmodified H3K4 (that is, histone H3 unmodified at lysine 4, H3K4me0) and acetylated H3K23 (histone H3 acetylated at lysine 23, H3K23ac) within the same histone tail. TRIM24 binds chromatin and oestrogen receptor to activate oestrogen-dependent genes associated with cellular proliferation and tumour development. Aberrant expression of TRIM24 negatively correlates with survival of breast cancer patients. The PHD-Bromo of TRIM24 provides a structural rationale for chromatin activation through a non-canonical histone signature, establishing a new route by which chromatin readers may influence cancer pathogenesis. The post-translational modification of histones is a crucial mechanism in the regulation of gene expression. The modifications occur in combinations that must be faithfully translated by histone reader proteins. A study of the crystal structure of the transcription and chromatin regulator TRIM24 shows it to be a unique histone reader capable of combinatorial recognition of dual marks on the histone H3 tail. TRIM24 is involved in activation of oestrogen-dependent genes and is aberrantly expressed in breast cancer, and this work establishes a new route by which chromosome readers may influence carcinogenesis. A crystal structure of the tandem PHD and bromodomain regions of the transcription and chromatin regulator TRIM24 reveals combinatorial recognition of dual marks on the histone H3 tail. TRIM24 is involved in activation of oestrogen-dependent genes and is aberrantly expressed in breast cancer.

Abstract Transcript alterations often result from somatic changes in cancer genomes 1 . Various forms of RNA alterations have been described in cancer, including overexpression 2 , altered splicing 3 and gene fusions 4 ; however, it is difficult to attribute these to underlying genomic changes owing to heterogeneity among patients and tumour types, and the relatively small cohorts of patients for whom samples have been analysed by both transcriptome and whole-genome sequencing. Here we present, to our knowledge, the most comprehensive catalogue of cancer-associated gene alterations to date, obtained by characterizing tumour transcriptomes from 1,188 donors of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA) 5 . Using matched whole-genome sequencing data, we associated several categories of RNA alterations with germline and somatic DNA alterations, and identified probable genetic mechanisms. Somatic copy-number alterations were the major drivers of variations in total gene and allele-specific expression. We identified 649 associations of somatic single-nucleotide variants with gene expression in cis , of which 68.4% involved associations with flanking non-coding regions of the gene. We found 1,900 splicing alterations associated with somatic mutations, including the formation of exons within introns in proximity to Alu elements. In addition, 82% of gene fusions were associated with structural variants, including 75 of a new class, termed ‘bridged’ fusions, in which a third genomic location bridges two genes. We observed transcriptomic alteration signatures that differ between cancer types and have associations with variations in DNA mutational signatures. This compendium of RNA alterations in the genomic context provides a rich resource for identifying genes and mechanisms that are functionally implicated in cancer.

Abstract About half of all cancers have somatic integrations of retrotransposons. Here, to characterize their role in oncogenesis, we analyzed the patterns and mechanisms of somatic retrotransposition in 2,954 cancer genomes from 38 histological cancer subtypes within the framework of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) project. We identified 19,166 somatically acquired retrotransposition events, which affected 35% of samples and spanned a range of event types. Long interspersed nuclear element (LINE-1; L1 hereafter) insertions emerged as the first most frequent type of somatic structural variation in esophageal adenocarcinoma, and the second most frequent in head-and-neck and colorectal cancers. Aberrant L1 integrations can delete megabase-scale regions of a chromosome, which sometimes leads to the removal of tumor-suppressor genes, and can induce complex translocations and large-scale duplications. Somatic retrotranspositions can also initiate breakage–fusion–bridge cycles, leading to high-level amplification of oncogenes. These observations illuminate a relevant role of 22 L1 retrotransposition in remodeling the cancer genome, with potential implications for the development of human tumors.

Abstract Here, as part of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium, for which whole-genome and—for a subset—whole-transcriptome sequencing data from 2,658 cancers across 38 tumor types was aggregated, we systematically investigated potential viral pathogens using a consensus approach that integrated three independent pipelines. Viruses were detected in 382 genome and 68 transcriptome datasets. We found a high prevalence of known tumor-associated viruses such as Epstein–Barr virus (EBV), hepatitis B virus (HBV) and human papilloma virus (HPV; for example, HPV16 or HPV18). The study revealed significant exclusivity of HPV and driver mutations in head-and-neck cancer and the association of HPV with APOBEC mutational signatures, which suggests that impaired antiviral defense is a driving force in cervical, bladder and head-and-neck carcinoma. For HBV, HPV16, HPV18 and adeno-associated virus-2 (AAV2), viral integration was associated with local variations in genomic copy numbers. Integrations at the TERT promoter were associated with high telomerase expression evidently activating this tumor-driving process. High levels of endogenous retrovirus (ERV1) expression were linked to a worse survival outcome in patients with kidney cancer.