We analysed primary breast cancers by genomic DNA copy number arrays, DNA methylation, exome sequencing, messenger RNA arrays, microRNA sequencing and reverse-phase protein arrays. Our ability to integrate information across platforms provided key insights into previously defined gene expression subtypes and demonstrated the existence of four main breast cancer classes when combining data from five platforms, each of which shows significant molecular heterogeneity. Somatic mutations in only three genes (TP53, PIK3CA and GATA3) occurred at >10% incidence across all breast cancers; however, there were numerous subtype-associated and novel gene mutations including the enrichment of specific mutations in GATA3, PIK3CA and MAP3K1 with the luminal A subtype. We identified two novel protein-expression-defined subgroups, possibly produced by stromal/microenvironmental elements, and integrated analyses identified specific signalling pathways dominant in each molecular subtype including a HER2/phosphorylated HER2/EGFR/phosphorylated EGFR signature within the HER2-enriched expression subtype. Comparison of basal-like breast tumours with high-grade serous ovarian tumours showed many molecular commonalities, indicating a related aetiology and similar therapeutic opportunities. The biological finding of the four main breast cancer subtypes caused by different subsets of genetic and epigenetic abnormalities raises the hypothesis that much of the clinically observable plasticity and heterogeneity occurs within, and not across, these major biological subtypes of breast cancer. The Cancer Genome Atlas Network describe their multifaceted analyses of primary breast cancers, shedding light on breast cancer heterogeneity; although only three genes (TP53, PIK3CA and GATA3) are mutated at a frequency greater than 10% across all breast cancers, numerous subtype-associated and novel mutations were identified. This Article from the Cancer Genome Atlas consortium describes a multifaceted analysis of primary breast cancers in 825 people. Exome sequencing, copy number variation, DNA methylation, messenger RNA arrays, microRNA sequencing and proteomic analyses were performed and integrated to shed light on breast-cancer heterogeneity. Just three genes — TP53, PIK3CA and GATA3 — are mutated at greater than 10% frequency across all breast cancers. Many subtype-associated and novel mutations were identified, as well as two breast-cancer subgroups with specific signalling-pathway signatures. The analyses also suggest that much of the clinically observable plasticity and heterogeneity occurs within, and not across, the major subtypes of breast cancer.

Cancers arise owing to the accumulation of mutations in critical genes that alter normal programmes of cell proliferation, differentiation and death. As the first stage of a systematic genome-wide screen for these genes, we have prioritized for analysis signalling pathways in which at least one gene is mutated in human cancer. The RAS–RAF–MEK–ERK–MAP kinase pathway mediates cellular responses to growth signals1. RAS is mutated to an oncogenic form in about 15% of human cancer. The three RAF genes code for cytoplasmic serine/threonine kinases that are regulated by binding RAS1,2,3. Here we report BRAF somatic missense mutations in 66% of malignant melanomas and at lower frequency in a wide range of human cancers. All mutations are within the kinase domain, with a single substitution (V599E) accounting for 80%. Mutated BRAF proteins have elevated kinase activity and are transforming in NIH3T3 cells. Furthermore, RAS function is not required for the growth of cancer cell lines with the V599E mutation. As BRAF is a serine/threonine kinase that is commonly activated by somatic point mutation in human cancer, it may provide new therapeutic opportunities in malignant melanoma.

All cancers are caused by somatic mutations; however, understanding of the biological processes generating these mutations is limited. The catalogue of somatic mutations from a cancer genome bears the signatures of the mutational processes that have been operative. Here we analysed 4,938,362 mutations from 7,042 cancers and extracted more than 20 distinct mutational signatures. Some are present in many cancer types, notably a signature attributed to the APOBEC family of cytidine deaminases, whereas others are confined to a single cancer class. Certain signatures are associated with age of the patient at cancer diagnosis, known mutagenic exposures or defects in DNA maintenance, but many are of cryptic origin. In addition to these genome-wide mutational signatures, hypermutation localized to small genomic regions, ‘kataegis’, is found in many cancer types. The results reveal the diversity of mutational processes underlying the development of cancer, with potential implications for understanding of cancer aetiology, prevention and therapy. An analysis of mutations from over 7,000 cancers of diverse origins reveals the diversity of mutational processes underlying the development of cancer; more than 20 distinct mutational signatures are described, some of which are present in many cancer types, notably a signature attributed to the APOBEC family of cytidine deaminases, whereas others are specific to individual tumour types. Despite the fact that all cancers are thought to result from somatic mutation — mutations in any cell in the body excluding the germ cells — relatively little is known about the processes of mutation involved. This study analyses almost 5 million mutations from more than 7,000 cancers and demonstrates more than 20 distinct cancer-associated mutational signatures. Some of these signatures are present in many cancers, notably a signature attributed to the APOBEC family of cytidine deaminases, whereas others are specific to individual tumour types. Some signatures are associated with age, known mutagenic exposures or defects in DNA maintenance, but many are of cryptic origin. These findings have potential implications for the understanding of cancer aetiology, prevention and therapy.

Current clinical practice is organized according to tissue or organ of origin of tumors. Now, The Cancer Genome Atlas (TCGA) Research Network has started to identify genomic and other molecular commonalities among a dozen different types of cancer. Emerging similarities and contrasts will form the basis for targeted therapies of the future and for repurposing existing therapies by molecular rather than histological similarities of the diseases. The Cancer Genome Atlas (TCGA) Research Network has profiled and analyzed large numbers of human tumors to discover molecular aberrations at the DNA, RNA, protein and epigenetic levels. The resulting rich data provide a major opportunity to develop an integrated picture of commonalities, differences and emergent themes across tumor lineages. The Pan-Cancer initiative compares the first 12 tumor types profiled by TCGA. Analysis of the molecular aberrations and their functional roles across tumor types will teach us how to extend therapies effective in one cancer type to others with a similar genomic profile.

We performed an integrated genomic, transcriptomic and proteomic characterization of 373 endometrial carcinomas using array- and sequencing-based technologies. Uterine serous tumours and ∼25% of high-grade endometrioid tumours had extensive copy number alterations, few DNA methylation changes, low oestrogen receptor/progesterone receptor levels, and frequent TP53 mutations. Most endometrioid tumours had few copy number alterations or TP53 mutations, but frequent mutations in PTEN, CTNNB1, PIK3CA, ARID1A and KRAS and novel mutations in the SWI/SNF chromatin remodelling complex gene ARID5B. A subset of endometrioid tumours that we identified had a markedly increased transversion mutation frequency and newly identified hotspot mutations in POLE. Our results classified endometrial cancers into four categories: POLE ultramutated, microsatellite instability hypermutated, copy-number low, and copy-number high. Uterine serous carcinomas share genomic features with ovarian serous and basal-like breast carcinomas. We demonstrated that the genomic features of endometrial carcinomas permit a reclassification that may affect post-surgical adjuvant treatment for women with aggressive tumours. An integrative genomic analysis of several hundred endometrial carcinomas shows that a minority of tumour samples carry copy number alterations or TP53 mutations and many contain key cancer-related gene mutations, such as those involved in canonical pathways and chromatin remodelling; a reclassification of endometrial tumours into four distinct types is proposed, which may have an effect on patient treatment regimes. This paper from The Cancer Genome Atlas Research Network presents an in-depth genome-wide analysis of endometrial (uterine) carcinomas from more than 350 patients. Based on a series of genomic features including newly identified hotspot mutations in the DNA polymerase gene POLE, and novel mutations in the ARID5B DNA-binding protein, the authors propose a reclassification of endometrial tumours into four distinct types. This might have clinical relevance for post-surgical adjuvant treatment of women with aggressive tumours.

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.

Recent studies have provided a detailed census of genes that are mutated in acute myeloid leukemia (AML). Our next challenge is to understand how this genetic diversity defines the pathophysiology of AML and informs clinical practice.

Cancers arise owing to mutations in a subset of genes that confer growth advantage. The availability of the human genome sequence led us to propose that systematic resequencing of cancer genomes for mutations would lead to the discovery of many additional cancer genes. Here we report more than 1,000 somatic mutations found in 274 megabases (Mb) of DNA corresponding to the coding exons of 518 protein kinase genes in 210 diverse human cancers. There was substantial variation in the number and pattern of mutations in individual cancers reflecting different exposures, DNA repair defects and cellular origins. Most somatic mutations are likely to be ‘passengers’ that do not contribute to oncogenesis. However, there was evidence for ‘driver’ mutations contributing to the development of the cancers studied in approximately 120 genes. Systematic sequencing of cancer genomes therefore reveals the evolutionary diversity of cancers and implicates a larger repertoire of cancer genes than previously anticipated. Over 350 cancer-causing genes have been identified by established techniques such as mapping, bioassay and by identifying plausible biological candidates. The availability of the human genome sequence now means that large-scale sequencing studies can uncover many more candidate cancer genes. Protein kinase enzymes are key to many regulatory processes and their dysfunction is a common trigger for tumours. So a sample of 518 kinases associated with more than 200 different cancers was chosen for a major sequencing effort. The study reveals more than 1, 000 previously unknown mutations linked to tumour formation — some as 'passengers' that don't contribute to cancer formation, but over 100 of them as 'driver' mutations that do contribute to disease development. As well as revealing cancer-causing defects, gene family studies like this can uncover new targets for molecular diagnostics and therapeutics. 518 protein kinase genes in the human genome have been sequenced in a large sample of tumours, providing a global view of the patterns of mutations found and the variations in the number and type of mutations between individual tumours.

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.

Summary

 Papillary thyroid carcinoma (PTC) is the most common type of thyroid cancer. Here, we describe the genomic landscape of 496 PTCs. We observed a low frequency of somatic alterations (relative to other carcinomas) and extended the set of known PTC driver alterations to include EIF1AX, PPM1D, and CHEK2 and diverse gene fusions. These discoveries reduced the fraction of PTC cases with unknown oncogenic driver from 25% to 3.5%. Combined analyses of genomic variants, gene expression, and methylation demonstrated that different driver groups lead to different pathologies with distinct signaling and differentiation characteristics. Similarly, we identified distinct molecular subgroups of BRAF-mutant tumors, and multidimensional analyses highlighted a potential involvement of oncomiRs in less-differentiated subgroups. Our results propose a reclassification of thyroid cancers into molecular subtypes that better reflect their underlying signaling and differentiation properties, which has the potential to improve their pathological classification and better inform the management of the disease.