Abstract Precision medicine is an approach that takes into account the influence of individuals' genes, environment, and lifestyle exposures to tailor interventions. Here, we describe the development of a robust precision cancer care platform that integrates whole-exome sequencing with a living biobank that enables high-throughput drug screens on patient-derived tumor organoids. To date, 56 tumor-derived organoid cultures and 19 patient-derived xenograft (PDX) models have been established from the 769 patients enrolled in an Institutional Review Board–approved clinical trial. Because genomics alone was insufficient to identify therapeutic options for the majority of patients with advanced disease, we used high-throughput drug screening to discover effective treatment strategies. Analysis of tumor-derived cells from four cases, two uterine malignancies and two colon cancers, identified effective drugs and drug combinations that were subsequently validated using 3-D cultures and PDX models. This platform thereby promotes the discovery of novel therapeutic approaches that can be assessed in clinical trials and provides personalized therapeutic options for individual patients where standard clinical options have been exhausted. Significance: Integration of genomic data with drug screening from personalized in vitro and in vivo cancer models guides precision cancer care and fuels next-generation research. Cancer Discov; 7(5); 462–77. ©2017 AACR. See related commentary by Picco and Garnett, p. 456. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 443

Importance

 Understanding molecular mechanisms of response and resistance to anticancer therapies requires prospective patient follow-up and clinical and functional validation of both common and low-frequency mutations. We describe a whole-exome sequencing (WES) precision medicine trial focused on patients with advanced cancer. 

Objective

 To understand how WES data affect therapeutic decision making in patients with advanced cancer and to identify novel biomarkers of response. 

Design, Setting, and Patients

 Patients with metastatic and treatment-resistant cancer were prospectively enrolled at a single academic center for paired metastatic tumor and normal tissue WES during a 19-month period (February 2013 through September 2014). A comprehensive computational pipeline was used to detect point mutations, indels, and copy number alterations. Mutations were categorized as category 1, 2, or 3 on the basis of actionability; clinical reports were generated and discussed in precision tumor board. Patients were observed for 7 to 25 months for correlation of molecular information with clinical response. 

Main Outcomes and Measures

 Feasibility, use of WES for decision making, and identification of novel biomarkers. 

Results

 A total of 154 tumor-normal pairs from 97 patients with a range of metastatic cancers were sequenced, with a mean coverage of 95X and 16 somatic alterations detected per patient. In total, 16 mutations were category 1 (targeted therapy available), 98 were category 2 (biologically relevant), and 1474 were category 3 (unknown significance). Overall, WES provided informative results in 91 cases (94%), including alterations for which there is an approved drug, there are therapies in clinical or preclinical development, or they are considered drivers and potentially actionable (category 1-2); however, treatment was guided in only 5 patients (5%) on the basis of these recommendations because of access to clinical trials and/or off-label use of drugs. Among unexpected findings, a patient with prostate cancer with exceptional response to treatment was identified who harbored a somatic hemizygous deletion of the DNA repair geneFANCAand putative partial loss of function of the second allele through germline missense variant. Follow-up experiments established that loss of FANCA function was associated with platinum hypersensitivity both in vitro and in patient-derived xenografts, thus providing biologic rationale and functional evidence for his extreme clinical response. 

Conclusions and Relevance

 The majority of advanced, treatment-resistant tumors across tumor types harbor biologically informative alterations. The establishment of a clinical trial for WES of metastatic tumors with prospective follow-up of patients can help identify candidate predictive biomarkers of response.

Abstract The molecular characteristics of metastatic upper tract urothelial carcinoma (UTUC) are unknown. The genomic and transcriptomic differences between primary and metastatic UTUC is not well described either. We combined whole-exome sequencing, RNA-sequencing, and Imaging Mass Cytometry ™ (IMC ™ ) of 44 tumor samples from 28 patients with high-grade primary and metastatic UTUC. IMC enables spatially resolved single-cell analyses to examine the evolution of cancer cell, immune cell, and stromal cell markers using mass cytometry with lanthanide metal-conjugated antibodies. We discovered that actionable genomic alterations are frequently discordant between primary and metastatic UTUC tumors in the same patient. In contrast, molecular subtype membership and immune depletion signature were stable across primary and matched metastatic UTUC. Molecular and immune subtypes were consistent between bulk RNA-sequencing and mass cytometry of protein markers from 340,798 single-cells. Molecular subtyping at the single cell level was highly conserved between primary and metastatic UTUC tumors within the same patient.

Abstract Mutagenic processes leave distinct signatures in cancer genomes. The mutational signatures attributed to APOBEC3 cytidine deaminases are pervasive in human cancers. However, data linking individual APOBEC3 proteins to cancer mutagenesis in vivo are limited. Here, we show that transgenic expression of human APOBEC3G promotes mutagenesis, genomic instability, and kataegis, leading to shorter survival in a murine bladder cancer model. Acting as mutagenic fuel, APOBEC3G increases the clonal diversity of bladder cancers, driving divergent cancer evolution. We characterize the single base substitution signature induced by APOBEC3G in vivo , showing the induction of a mutational signature different from that caused by APOBEC3A and APOBEC3B. Analysis of thousands of human cancers reveals the contribution of APOBEC3G to the mutational profiles of multiple cancer types, including bladder cancer. Our findings define the role of APOBEC3G in cancer mutagenesis and clonal heterogeneity. These results potentially inform future therapeutic efforts that restrict tumor evolution.

Repetitive sequences are hotspots of evolution at multiple levels. However, due to technical difficulties involved in their assembly and analysis, the role of repeats in tumor evolution is poorly understood. We developed a rigorous motif-based methodology to quantify variations in the repeat content of proteomes and genomes, directly from proteomic and genomic raw sequence data, and applied it to analyze a wide range of tumors and normal tissues. We identify high similarity between the repeat-instability in tumors and their patient-matched normal tissues, but also tumor-specific signatures, both in protein expression and in the genome, that strongly correlate with cancer progression and robustly predict the tumorigenic state. In a patient, the hierarchy of genomic repeat instability signatures accurately reconstructs tumor evolution, with primary tumors differentiated from metastases. We find an inverse relationship between repeat-instability and point mutation load, within and across patients, and independently of other somatic aberrations. Thus, repeat-instability is a distinct, transient and compensatory adaptive mechanism in tumor evolution.

Abstract Advanced urothelial cancer is a frequently lethal disease characterized by marked genetic heterogeneity. In this study, we investigate the evolution of the genomic signatures caused by endogenous and external mutagenic stimuli and their interplay with complex structural variants. We superimposed mutational signatures and phylogenetic analyses of matched serial tumors from patients with urothelial cancer to define the evolutionary patterns of these processes. We show that APOBEC3-induced mutations are clonal and early, whereas mutational bursts comprising hundreds of late subclonal mutations are induced by chemotherapy. Using a novel genome graph computational paradigm, we observed frequent circular high copy-number amplicons characteristic of extrachromosomal DNA (ecDNA) involving double-minutes, breakage-fusion-bridge, and tyfonas events. We characterized the distinct temporal patterns of APOBEC3 mutations and chemotherapy-induced mutations within ecDNA, gaining new insights into the timing of these events relative to ecDNA biogenesis. Finally, we discovered that most CCND1 amplifications in urothelial cancer arise within circular ecDNA amplicons. These CCND1 ecDNA amplification events persisted and increased in complexity incorporating additional DNA segments potentially contributing selective fitness advantage to the evolution of treatment resistance. Our findings define fundamental mechanisms driving urothelial cancer evolution and have therapeutic implications for treating this disease.

Abstract Bladder cancer has a high recurrence rate and low survival of advanced stage patients. Few genetic drivers of bladder cancer have thus far been identified. We performed in-depth structural variant analysis on whole-genome sequencing data of 206 metastasized urinary tract cancers. In ~10% of the patients, we identified recurrent in-frame deletions of exons 8 and 9 in the aryl hydrocarbon receptor gene ( AHR Δe8-9 ), which codes for a ligand-activated transcription factor. Pan-cancer analyses show that AHR Δe8-9 is highly specific to urinary tract cancer and mutually exclusive with other bladder cancer drivers. In AHR Δe8-9 the ligand-binding domain is disrupted and we show that this results in ligand-independent AHR-pathway activation. In bladder organoids, AHR Δe8-9 induces a transformed phenotype that is characterized by upregulation of AHR target genes, downregulation of differentiation markers and upregulation of genes associated with stemness and urothelial cancer. Furthermore, AHRΔ e8-9 expression results in anchorage independent growth of bladder organoids, indicating tumorigenic potential. DNA-binding deficient AHR Δe8-9 fails to induce transformation, suggesting a role for AHR target genes in the acquisition of the oncogenic phenotype. In conclusion, we show that AHR Δe8-9 is a novel driver of urinary tract cancer and that the AHR pathway could be an interesting therapeutic target.

Summary The tumor immune cell landscape is composed of infiltrating myeloid cells (TIMs) and lymphocytes (TILs) that are important for regulating tumor progression and response to immune therapies. Since at least 70% of bladder cancer patients are poorly responsive to immune checkpoint blockade, there is a need for in depth analysis of the immune landscape both within individual tumor samples and between patients. To facilitate this, we have conducted single cell RNA sequencing (scRNA-seq) to map and transcriptionally define immune cells from 10 human bladder tumors. While all human tumors showed the of presence of major immune cell types, significant differences were observed in the relative numbers of these populations. To determine the translational utility of these findings we also performed scRNA-seq of TIMs-TILs isolated from mouse bladder tumors that were induced by the BBN carcinogen. In human and mouse comparison, we identified significant cross-species conservation in gene expression programs for NK, T, dendritic cells, monocytes and macrophages immune cell populations. Our data identified the conserved expression of key immunotherapy targets between human and mouse tumors including coordinately high gene expression of PD-1 , CTLA and IDO1 while also noting species divergent expression of TIM3 , LAG3 and CD274 (PDL-1). To identify predictive immune cell-tumor interactions we computed conserved ligand-receptor (cell-cell) interaction scores between immune cell subsets and the epithelial tumor compartment. Together, this study defines the transcriptional status of bladder cancer immune cells and provides the rationale for future studies related to treatment response and therapeutic resistance.