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.

We analysed whole-genome sequences of 560 breast cancers to advance understanding of the driver mutations conferring clonal advantage and the mutational processes generating somatic mutations. We found that 93 protein-coding cancer genes carried probable driver mutations. Some non-coding regions exhibited high mutation frequencies, but most have distinctive structural features probably causing elevated mutation rates and do not contain driver mutations. Mutational signature analysis was extended to genome rearrangements and revealed twelve base substitution and six rearrangement signatures. Three rearrangement signatures, characterized by tandem duplications or deletions, appear associated with defective homologous-recombination-based DNA repair: one with deficient BRCA1 function, another with deficient BRCA1 or BRCA2 function, the cause of the third is unknown. This analysis of all classes of somatic mutation across exons, introns and intergenic regions highlights the repertoire of cancer genes and mutational processes operating, and progresses towards a comprehensive account of the somatic genetic basis of breast cancer. Whole-genome sequencing of tumours from 560 breast cancer cases provides a comprehensive genome-wide view of recurrent somatic mutations and mutation frequencies across both protein coding and non-coding regions; several mutational signatures in these cancer genomes are associated with BRCA1 or BRCA2 function and defective homologous-recombination-based DNA repair. This study reports whole-genome sequencing of tumours and normal tissue from 560 breast cancer cases, providing a comprehensive genome-wide view of recurrent somatic mutations and mutation frequencies across both protein coding and non-coding regions. The authors analyse mutational signatures in these cancer genomes, including a new investigation of rearrangement mutational processes, and find several that are associated with BRCA1 or BRCA2 function and defective homologous-recombination-based DNA repair. They also find mutational signatures showing distinct DNA replication strand biases.

All cancers carry somatic mutations. The patterns of mutation in cancer genomes reflect the DNA damage and repair processes to which cancer cells and their precursors have been exposed. To explore these mechanisms further, we generated catalogs of somatic mutation from 21 breast cancers and applied mathematical methods to extract mutational signatures of the underlying processes. Multiple distinct single- and double-nucleotide substitution signatures were discernible. Cancers with BRCA1 or BRCA2 mutations exhibited a characteristic combination of substitution mutation signatures and a distinctive profile of deletions. Complex relationships between somatic mutation prevalence and transcription were detected. A remarkable phenomenon of localized hypermutation, termed “kataegis,” was observed. Regions of kataegis differed between cancers but usually colocalized with somatic rearrangements. Base substitutions in these regions were almost exclusively of cytosine at TpC dinucleotides. The mechanisms underlying most of these mutational signatures are unknown. However, a role for the APOBEC family of cytidine deaminases is proposed.PaperClip/cms/asset/8e7dce11-cccf-4897-b14e-12c61f105ebd/mmc2.mp3Loading ...(mp3, 4.2 MB) Download audio

Cancer evolves dynamically as clonal expansions supersede one another driven by shifting selective pressures, mutational processes, and disrupted cancer genes. These processes mark the genome, such that a cancer's life history is encrypted in the somatic mutations present. We developed algorithms to decipher this narrative and applied them to 21 breast cancers. Mutational processes evolve across a cancer's lifespan, with many emerging late but contributing extensive genetic variation. Subclonal diversification is prominent, and most mutations are found in just a fraction of tumor cells. Every tumor has a dominant subclonal lineage, representing more than 50% of tumor cells. Minimal expansion of these subclones occurs until many hundreds to thousands of mutations have accumulated, implying the existence of long-lived, quiescent cell lineages capable of substantial proliferation upon acquisition of enabling genomic changes. Expansion of the dominant subclone to an appreciable mass may therefore represent the final rate-limiting step in a breast cancer's development, triggering diagnosis.

HRDetect represents a model integrating whole-genome sequencing mutation signatures associated with BRCA1 and BRCA2 deficiency. The implementation of this predictor across different tumor types identifies a larger proportion of patients displaying ‘BRCAness’ than previously recognized; they might derive benefit from platinum and PARP-inhibitor therapies. Approximately 1–5% of breast cancers are attributed to inherited mutations in BRCA1 or BRCA2 and are selectively sensitive to poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. In other cancer types, germline and/or somatic mutations in BRCA1 and/or BRCA2 (BRCA1/BRCA2) also confer selective sensitivity to PARP inhibitors. Thus, assays to detect BRCA1/BRCA2-deficient tumors have been sought. Recently, somatic substitution, insertion/deletion and rearrangement patterns, or 'mutational signatures', were associated with BRCA1/BRCA2 dysfunction. Herein we used a lasso logistic regression model to identify six distinguishing mutational signatures predictive of BRCA1/BRCA2 deficiency. A weighted model called HRDetect was developed to accurately detect BRCA1/BRCA2-deficient samples. HRDetect identifies BRCA1/BRCA2-deficient tumors with 98.7% sensitivity (area under the curve (AUC) = 0.98). Application of this model in a cohort of 560 individuals with breast cancer, of whom 22 were known to carry a germline BRCA1 or BRCA2 mutation, allowed us to identify an additional 22 tumors with somatic loss of BRCA1 or BRCA2 and 47 tumors with functional BRCA1/BRCA2 deficiency where no mutation was detected. We validated HRDetect on independent cohorts of breast, ovarian and pancreatic cancers and demonstrated its efficacy in alternative sequencing strategies. Integrating all of the classes of mutational signatures thus reveals a larger proportion of individuals with breast cancer harboring BRCA1/BRCA2 deficiency (up to 22%) than hitherto appreciated (∼1–5%) who could have selective therapeutic sensitivity to PARP inhibition.

Whole-genome and targeted sequencing of multiple sections of each of 50 tumors reveals varying degrees of subclonal diversification and genomic heterogeneity. The sequencing of cancer genomes may enable tailoring of therapeutics to the underlying biological abnormalities driving a particular patient's tumor. However, sequencing-based strategies rely heavily on representative sampling of tumors. To understand the subclonal structure of primary breast cancer, we applied whole-genome and targeted sequencing to multiple samples from each of 50 patients' tumors (303 samples in total). The extent of subclonal diversification varied among cases and followed spatial patterns. No strict temporal order was evident, with point mutations and rearrangements affecting the most common breast cancer genes, including PIK3CA, TP53, PTEN, BRCA2 and MYC, occurring early in some tumors and late in others. In 13 out of 50 cancers, potentially targetable mutations were subclonal. Landmarks of disease progression, such as resistance to chemotherapy and the acquisition of invasive or metastatic potential, arose within detectable subclones of antecedent lesions. These findings highlight the importance of including analyses of subclonal structure and tumor evolution in clinical trials of primary breast cancer.

Colin Cooper and colleagues report genome-wide sequences of multiple samples of multifocal cancer and morphologically normal tissue from the prostates of three men. They found high levels of mutations in morphologically normal tissue distant from the cancer, consistent with field effects. Genome-wide DNA sequencing was used to decrypt the phylogeny of multiple samples from distinct areas of cancer and morphologically normal tissue taken from the prostates of three men. Mutations were present at high levels in morphologically normal tissue distant from the cancer, reflecting clonal expansions, and the underlying mutational processes at work in morphologically normal tissue were also at work in cancer. Our observations demonstrate the existence of ongoing abnormal mutational processes, consistent with field effects, underlying carcinogenesis. This mechanism gives rise to extensive branching evolution and cancer clone mixing, as exemplified by the coexistence of multiple cancer lineages harboring distinct ERG fusions within a single cancer nodule. Subsets of mutations were shared either by morphologically normal and malignant tissues or between different ERG lineages, indicating earlier or separate clonal cell expansions. Our observations inform on the origin of multifocal disease and have implications for prostate cancer therapy in individual cases.

Introduction The human genome is peppered with mobile repetitive elements called long interspersed nuclear element–1 (L1) retrotransposons. Propagating through RNA and cDNA intermediates, these molecular parasites copy and insert themselves throughout the genome, with potentially disruptive effects on neighboring genes or regulatory sequences. In the germ line, unique sequence downstream of L1 elements can also be retrotransposed if transcription continues beyond the repeat, a process known as 3′ transduction. There has been growing interest in retrotransposition and 3′ transduction as a possible source of somatic mutations during tumorigenesis. Rationale To explore whether 3′ transductions are frequent in cancer, we developed a bioinformatic algorithm for identifying somatically acquired retrotranspositions in cancer genomes. We applied our algorithm to 290 cancer samples from 244 patients across 12 tumor types. The unique downstream sequence mobilized with 3′ transductions effectively fingerprints the L1 source element, providing insights into the activity of individual L1 loci across the genome. Results Across the 290 samples, we identified 2756 somatic L1 retrotranspositions. Tumors from 53% of patients had at least one such event, with colorectal and lung cancers being most frequently affected (93% and 75% of patients, respectively). Somatic 3′ transductions comprised 24% of events, half of which represented mobilizations of unique sequence alone, without any accompanying L1 sequence. Overall, 95% of 3′ transductions identified derived from only 72 germline L1 source elements, with as few as four loci accounting for 50% of events. In a given sample, the same source element could generate 50 or more somatic transductions, scattered extensively across the genome. About 5% of somatic transductions arose from L1 source elements that were themselves somatic retrotranspositions. In three of the cases in which we sequenced more than one sample from a patient’s tumor, we were able to place 3′ transductions on the phylogenetic tree. We found that the activity of individual source elements fluctuated during tumor evolution, with different subclones exhibiting much variability in which elements were “on” and which were “off.” The ability to identify the individual L1 source elements active in a given tumor enabled us to study the promoter methylation of those elements specifically. We found that 3′ transduction activity in a patient’s tumor was always associated with hypomethylation of that element. Overall, 2.3% of transductions distributed exons or entire genes to other sites in the genome, and many more mobilized deoxyribonuclease I (DNAse-I) hypersensitive sites or transcription factor binding sites identified by the ENCODE project. Occasionally, somatic L1 insertions inserted near coding sequence and redistributed these exons elsewhere in the genome. However, we found no general effects of retrotranspositions on transcription levels of genes at the insertion points and no evidence for aberrant RNA species resulting from somatically acquired transposable elements. Indeed, as with germline retrotranspositions, somatic insertions exhibited a strong enrichment in heterochromatic, gene-poor regions of the genome. Conclusion Somatic 3′ transduction occurs frequently in human tumors, and in some cases transduction events can scatter exons, genes, and regulatory elements widely across the genome. Dissemination of these sequences appears to be due to a small number of highly active L1 elements, whose activity can wax and wane during tumor evolution. The majority of the retrotransposition events are likely to be harmless “passenger” mutations.

Abstract Folded enzymes are essential for life, but there is limited in vivo information about how locally unfolded protein regions contribute to biological functions. Intrinsically Disordered Regions (IDRs) are enriched in disease-linked and multiply post-translationally modified proteins. The extent of foldability of predicted IDRs is difficult to measure due to significant technical challenges to survey in vivo protein conformations on a proteome-wide scale. We reasoned that IDRs should be more accessible to targeted in vivo biotinylation than more ordered protein regions, if they retain their flexibility in vivo . Indeed, we observed a positive correlation of predicted IDRs and biotinylation density across four independent large-scale proximity proteomics studies that together report >20 000 biotinylation sites. We show that biotin ‘painting’ is a promising approach to fill gaps in knowledge between static in vitro protein structures, in silico disorder predictions and in vivo condition-dependent subcellular plasticity using the 80S ribosome as an example.