We report the generation and analysis of functional data from multiple, diverse experiments performed on a targeted 1% of the human genome as part of the pilot phase of the ENCODE Project. These data have been further integrated and augmented by a number of evolutionary and computational analyses. Together, our results advance the collective knowledge about human genome function in several major areas. First, our studies provide convincing evidence that the genome is pervasively transcribed, such that the majority of its bases can be found in primary transcripts, including non-protein-coding transcripts, and those that extensively overlap one another. Second, systematic examination of transcriptional regulation has yielded new understanding about transcription start sites, including their relationship to specific regulatory sequences and features of chromatin accessibility and histone modification. Third, a more sophisticated view of chromatin structure has emerged, including its inter-relationship with DNA replication and transcriptional regulation. Finally, integration of these new sources of information, in particular with respect to mammalian evolution based on inter- and intra-species sequence comparisons, has yielded new mechanistic and evolutionary insights concerning the functional landscape of the human genome. Together, these studies are defining a path for pursuit of a more comprehensive characterization of human genome function. The ENCODE project — standing for ENCyclopedia Of DNA Elements — has set out to identify all the functional elements in the human genome. With the genome sequence now established, the next challenge is to discover how the cell actually uses it as an instruction manual. The ENCODE consortium has completed the 'proof-of-principle' pilot phase of the project, an analysis of functional elements in a targeted 1% of the human genome. The results, published this week, suggest that most bases in the genome are found in primary transcripts, including non-protein-coding transcripts and those that overlap. Examination of transcriptional regulation has yielded new understanding about transcription start sites, and a more sophisticated view about chromatin structure. Integration of these data, in particular with respect to mammalian evolution, reveals new insights about how the information coded in the DNA blueprint is turned into functioning systems in the living cell. The next step after sequencing a genome is to figure out how the cell actually uses it as an instruction manual. A large international consortium has examined 1% of the genome for what part is transcribed, where proteins are bound, what the chromatin structure looks like, and how the sequence compares to that of other organisms.

Back with a Vengeance After surgery, gliomas (a type of brain tumor) recur in nearly all patients and often in a more aggressive form. Johnson et al. (p. 189 , published online 12 December 2013) used exome sequencing to explore whether recurrent tumors harbor different mutations than the primary tumors and whether the mutational profile in the recurrences is influenced by postsurgical treatment of patients with temozolomide (TMZ), a chemotherapeutic drug known to damage DNA. In more than 40% of cases, at least half of the mutations in the initial glioma were undetected at recurrence. The recurrent tumors in many of the TMZ-treated patients bore the signature of TMZ-induced mutagenesis and appeared to follow an evolutionary path to high-grade glioma distinct from that in untreated patients.

Intratumoral stimulatory dendritic cells (SDCs) play an important role in stimulating cytotoxic T cells and driving immune responses against cancer. Understanding the mechanisms that regulate their abundance in the tumor microenvironment (TME) could unveil new therapeutic opportunities. We find that in human melanoma, SDC abundance is associated with intratumoral expression of the gene encoding the cytokine FLT3LG. FLT3LG is predominantly produced by lymphocytes, notably natural killer (NK) cells in mouse and human tumors. NK cells stably form conjugates with SDCs in the mouse TME, and genetic and cellular ablation of NK cells in mice demonstrates their importance in positively regulating SDC abundance in tumor through production of FLT3L. Although anti-PD-1 ‘checkpoint’ immunotherapy for cancer largely targets T cells, we find that NK cell frequency correlates with protective SDCs in human cancers, with patient responsiveness to anti-PD-1 immunotherapy, and with increased overall survival. Our studies reveal that innate immune SDCs and NK cells cluster together as an excellent prognostic tool for T cell–directed immunotherapy and that these innate cells are necessary for enhanced T cell tumor responses, suggesting this axis as a target for new therapies. Cross-talk between innate immune cells helps to enhance the antitumor T cell response during checkpoint blockade therapy.

Mutational hotspots indicate selective pressure across a population of tumor samples, but their prevalence within and across cancer types is incompletely characterized. An approach to detect significantly mutated residues, rather than methods that identify recurrently mutated genes, may uncover new biologically and therapeutically relevant driver mutations. Here, we developed a statistical algorithm to identify recurrently mutated residues in tumor samples. We applied the algorithm to 11,119 human tumors, spanning 41 cancer types, and identified 470 somatic substitution hotspots in 275 genes. We find that half of all human tumors possess one or more mutational hotspots with widespread lineage-, position- and mutant allele-specific differences, many of which are likely functional. In total, 243 hotspots were novel and appeared to affect a broad spectrum of molecular function, including hotspots at paralogous residues of Ras-related small GTPases RAC1 and RRAS2. Redefining hotspots at mutant amino acid resolution will help elucidate the allele-specific differences in their function and could have important therapeutic implications.

Resistance to RAF- and MEK-targeted therapy is a major clinical challenge. RAF and MEK inhibitors are initially but only transiently effective in some but not all patients with BRAF gene mutation and are largely ineffective in those with RAS gene mutation because of resistance. Through a genetic screen in BRAF-mutant tumor cells, we show that the Hippo pathway effector YAP (encoded by YAP1) acts as a parallel survival input to promote resistance to RAF and MEK inhibitor therapy. Combined YAP and RAF or MEK inhibition was synthetically lethal not only in several BRAF-mutant tumor types but also in RAS-mutant tumors. Increased YAP in tumors harboring BRAF V600E was a biomarker of worse initial response to RAF and MEK inhibition in patients, establishing the clinical relevance of our findings. Our data identify YAP as a new mechanism of resistance to RAF- and MEK-targeted therapy. The findings unveil the synthetic lethality of combined suppression of YAP and RAF or MEK as a promising strategy to enhance treatment response and patient survival.

Abstract Gilteritinib is a potent and selective FLT3 kinase inhibitor with single-agent clinical efficacy in relapsed/refractory FLT3-mutated acute myeloid leukemia (AML). In this context, however, gilteritinib is not curative, and response duration is limited by the development of secondary resistance. To evaluate resistance mechanisms, we analyzed baseline and progression samples from patients treated on clinical trials of gilteritinib. Targeted next-generation sequencing at the time of AML progression on gilteritinib identified treatment-emergent mutations that activate RAS/MAPK pathway signaling, most commonly in NRAS or KRAS. Less frequently, secondary FLT3-F691L gatekeeper mutations or BCR–ABL1 fusions were identified at progression. Single-cell targeted DNA sequencing revealed diverse patterns of clonal selection and evolution in response to FLT3 inhibition, including the emergence of RAS mutations in FLT3-mutated subclones, the expansion of alternative wild-type FLT3 subclones, or both patterns simultaneously. These data illustrate dynamic and complex changes in clonal architecture underlying response and resistance to mutation-selective tyrosine kinase inhibitor therapy in AML. Significance: Comprehensive serial genotyping of AML specimens from patients treated with the selective FLT3 inhibitor gilteritinib demonstrates that complex, heterogeneous patterns of clonal selection and evolution mediate clinical resistance to tyrosine kinase inhibition in FLT3-mutated AML. Our data support the development of combinatorial targeted therapeutic approaches for advanced AML. See related commentary by Wei and Roberts, p. 998. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 983

SUMMARY Cancers display significant heterogeneity with respect to tissue of origin, driver mutations and other features of the surrounding tissue. It is likely that persistent tumors differentially engage inherent patterns–here ‘Archetypes’–of the immune system, to both benefit from a tumor immune microenvironment (TIME) and to disengage tumor-targeting. To discover dominant immune system archetypes, the Immunoprofiler Initiative (IPI) processed 364 individual tumors across 12 cancer types using standardized protocols. Computational clustering of flow cytometry and transcriptomic data obtained from cell sub compartments uncovered archetypes that exist across indications. These Immune composition-based archetypes differentiate tumors based upon unique immune and tumor gene-expression patterns. Archetypes discovered this way also tie closely to well-established classifications of tumor biology. The IPI resource provides a template for understanding cancer immunity as a collection of dominant patterns of immune infiltration and provides a rational path forward to learn how to modulate these patterns to improve therapy.

PTEN is a tumor suppressor that is often inactivated in cancer and possesses both lipid and protein phosphatase activities. We report the metabolic regulator PDHK1 (pyruvate dehydrogenase kinase1) is a synthetic-essential gene in PTEN-deficient cancer and normal cells. The predominant mechanism of PDHK1 regulation and dependency is the PTEN protein phosphatase dephosphorylates NFκB activating protein (NKAP) and limits NFκB activation to suppress expression of PDHK1, a NFκB target gene. Loss of the PTEN protein phosphatase upregulates PDHK1 to drive aerobic glycolysis and induce PDHK1 cellular dependence. PTEN-deficient human tumors harbor increased PDHK1, which is a biomarker of decreased patient survival, establishing clinical relevance. This study uncovers a PTEN-regulated signaling pathway and reveals PDHK1 as a potential target in PTEN-deficient cancers.