Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

We conducted the largest investigation of predisposition variants in cancer to date, discovering 853 pathogenic or likely pathogenic variants in 8% of 10,389 cases from 33 cancer types. Twenty-one genes showed single or cross-cancer associations, including novel associations of SDHA in melanoma and PALB2 in stomach adenocarcinoma. The 659 predisposition variants and 18 additional large deletions in tumor suppressors, including ATM, BRCA1, and NF1, showed low gene expression and frequent (43%) loss of heterozygosity or biallelic two-hit events. We also discovered 33 such variants in oncogenes, including missenses in MET, RET, and PTPN11 associated with high gene expression. We nominated 47 additional predisposition variants from prioritized VUSs supported by multiple evidences involving case-control frequency, loss of heterozygosity, expression effect, and co-localization with mutations and modified residues. Our integrative approach links rare predisposition variants to functional consequences, informing future guidelines of variant classification and germline genetic testing in cancer.

We analyzed molecular data on 2,579 tumors from The Cancer Genome Atlas (TCGA) of four gynecological types plus breast. Our aims were to identify shared and unique molecular features, clinically significant subtypes, and potential therapeutic targets. We found 61 somatic copy-number alterations (SCNAs) and 46 significantly mutated genes (SMGs). Eleven SCNAs and 11 SMGs had not been identified in previous TCGA studies of the individual tumor types. We found functionally significant estrogen receptor-regulated long non-coding RNAs (lncRNAs) and gene/lncRNA interaction networks. Pathway analysis identified subtypes with high leukocyte infiltration, raising potential implications for immunotherapy. Using 16 key molecular features, we identified five prognostic subtypes and developed a decision tree that classified patients into the subtypes based on just six features that are assessable in clinical laboratories.

This integrated, multiplatform PanCancer Atlas study co-mapped and identified distinguishing molecular features of squamous cell carcinomas (SCCs) from five sites associated with smoking and/or human papillomavirus (HPV). SCCs harbor 3q, 5p, and other recurrent chromosomal copy-number alterations (CNAs), DNA mutations, and/or aberrant methylation of genes and microRNAs, which are correlated with the expression of multi-gene programs linked to squamous cell stemness, epithelial-to-mesenchymal differentiation, growth, genomic integrity, oxidative damage, death, and inflammation. Low-CNA SCCs tended to be HPV(+) and display hypermethylation with repression of TET1 demethylase and FANCF, previously linked to predisposition to SCC, or harbor mutations affecting CASP8, RAS-MAPK pathways, chromatin modifiers, and immunoregulatory molecules. We uncovered hypomethylation of the alternative promoter that drives expression of the ΔNp63 oncogene and embedded miR944. Co-expression of immune checkpoint, T-regulatory, and Myeloid suppressor cells signatures may explain reduced efficacy of immune therapy. These findings support possibilities for molecular classification and therapeutic approaches.

Cardiovascular disease (CVD) is the leading cause of death in adults in the United States, yet the benefits of genetic testing are not universally accepted.We developed the "HeartCare" panel of genes associated with CVD, evaluating high-penetrance Mendelian conditions, coronary artery disease (CAD) polygenic risk, LPA gene polymorphisms, and specific pharmacogenetic (PGx) variants. We enrolled 709 individuals from cardiology clinics at Baylor College of Medicine, and samples were analyzed in a CAP/CLIA-certified laboratory. Results were returned to the ordering physician and uploaded to the electronic medical record.Notably, 32% of patients had a genetic finding with clinical management implications, even after excluding PGx results, including 9% who were molecularly diagnosed with a Mendelian condition. Among surveyed physicians, 84% reported medical management changes based on these results, including specialist referrals, cardiac tests, and medication changes. LPA polymorphisms and high polygenic risk of CAD were found in 20% and 9% of patients, respectively, leading to diet, lifestyle, and other changes. Warfarin and simvastatin pharmacogenetic variants were present in roughly half of the cohort.Our results support the use of genetic information in routine cardiovascular health management and provide a roadmap for accompanying research.

Autism spectrum disorder (ASD) is a genetically heterogeneous condition, caused by a combination of rare de novo and inherited variants as well as common variants in at least several hundred genes. However, significantly larger sample sizes are needed to identify the complete set of genetic risk factors. We conducted a pilot study for SPARK (SPARKForAutism.org) of 457 families with ASD, all consented online. Whole exome sequencing (WES) and genotyping data were generated for each family using DNA from saliva. We identified variants in genes and loci that are clinically recognized causes or significant contributors to ASD in 10.4% of families without previous genetic findings. Additionally, we identified variants that are possibly associated with autism in an additional 3.4% of families. A meta-analysis using the TADA framework at a false discovery rate (FDR) of 0.2 provides statistical support for 34 ASD risk genes with at least one damaging variant identified in SPARK. Nine of these genes (BRSK2, DPP6, EGR3, FEZF2, ITSN1, KDM1B, NR4A2, PAX5 and RALGAPB) are newly emerging genes in autism, of which BRSK2 has the strongest statistical support as a risk gene for autism (TADA q-value = 0.0015). Future studies leveraging the thousands of individuals with ASD that have enrolled in SPARK are likely to further clarify the genetic risk factors associated with ASD as well as allow accelerate autism research that incorporates genetic etiology.

ABSTRACT Background Next generation DNA sequencing (NGS) has been rapidly adopted by clinical testing laboratories for detection of germline and somatic genetic variants. The complexity of sample processing in a clinical DNA sequencing laboratory creates multiple opportunities for sample identification errors, demanding stringent quality control procedures. Methods We utilized DNA genotyping via a 96-SNP PCR panel applied at sample acquisition in comparison to the final sequence, for tracking of sample identity throughout the sequencing pipeline. The 96-SNP PCR panel’s inclusion of sex SNPs also provides a mechanism for a genotype-based comparison to recorded sex at sample collection for identification. This approach was implemented in the clinical genomic testing pathways, in the multi-center Electronic Medical Records and Genomics (eMERGE) Phase III program Results We identified 110 inconsistencies from 25,015 (0.44%) clinical samples, when comparing the 96-SNP PCR panel data to the test requisition-provided sex. The 96-SNP PCR panel genetic sex predictions were confirmed using additional SNP sites in the sequencing data or high-density hybridization-based genotyping arrays. Results identified clerical errors, samples from transgender participants and stem cell or bone marrow transplant patients and undetermined sample mix-ups. Conclusion The 96-SNP PCR panel provides a cost-effective, robust tool for tracking samples within DNA sequencing laboratories, while the ability to predict sex from genotyping data provides an additional quality control measure for all procedures, beginning with sample collections. While not sufficient to detect all sample mix-ups, the inclusion of genetic versus reported sex matching can give estimates of the rate of errors in sample collection systems.