Major efforts to sequence cancer genomes are now occurring throughout the world. Though the emerging data from these studies are illuminating, their reconciliation with epidemiologic and clinical observations poses a major challenge. In the current study, we provide a mathematical model that begins to address this challenge. We model tumors as a discrete time branching process that starts with a single driver mutation and proceeds as each new driver mutation leads to a slightly increased rate of clonal expansion. Using the model, we observe tremendous variation in the rate of tumor development-providing an understanding of the heterogeneity in tumor sizes and development times that have been observed by epidemiologists and clinicians. Furthermore, the model provides a simple formula for the number of driver mutations as a function of the total number of mutations in the tumor. Finally, when applied to recent experimental data, the model allows us to calculate the actual selective advantage provided by typical somatic mutations in human tumors in situ. This selective advantage is surprisingly small--0.004 ± 0.0004--and has major implications for experimental cancer research.

Mechanisms driving resistance to cyclin-dependent kinase 4/6 inhibitors (CDK4/6i) in hormone receptor-positive (HR+) breast cancer have not been clearly defined. Whole-exome sequencing of 59 tumors with CDK4/6i exposure revealed multiple candidate resistance mechanisms including RB1 loss, activating alterations in AKT1, RAS, AURKA, CCNE2, ERBB2, and FGFR2, and loss of estrogen receptor expression. In vitro experiments confirmed that these alterations conferred CDK4/6i resistance. Cancer cells cultured to resistance with CDK4/6i also acquired RB1, KRAS, AURKA, or CCNE2 alterations, which conferred sensitivity to AURKA, ERK, or CHEK1 inhibition. Three of these activating alterations-in AKT1, RAS, and AURKA-have not, to our knowledge, been previously demonstrated as mechanisms of resistance to CDK4/6i in breast cancer preclinically or in patient samples. Together, these eight mechanisms were present in 66% of resistant tumors profiled and may define therapeutic opportunities in patients. SIGNIFICANCE: We identified eight distinct mechanisms of resistance to CDK4/6i present in 66% of resistant tumors profiled. Most of these have a therapeutic strategy to overcome or prevent resistance in these tumors. Taken together, these findings have critical implications related to the potential utility of precision-based approaches to overcome resistance in many patients with HR+ metastatic breast cancer.This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1079.

ABSTRACT Molecular profiling studies have enabled numerous discoveries for metastatic prostate cancer (MPC), but they have mostly occurred in academic medical institutions focused on select patient populations. We developed the Metastatic Prostate Cancer Project (MPCproject, mpcproject.org ), a patient-partnered initiative to empower MPC patients living anywhere in the U.S. and Canada to participate in molecular research and contribute directly to translational discovery. Here we present clinicogenomic results from our partnership with the first 706 MPCproject participants. We found that a patient-centered and remote research strategy enhanced engagement with patients in rural and medically underserved areas. Furthermore, patient-reported data achieved 90% consistency with abstracted health records for therapies and provided a mechanism for patient-partners to share information about their cancer experience not documented in medical records. Among the molecular profiling data from 333 patient-partners (n = 573 samples), whole exome sequencing of 63 tumor samples obtained from hospitals across the U.S. and Canada and 19 plasma cell-free DNA (cfDNA) samples from blood donated remotely recapitulated known findings in MPC and enabled longitudinal study of prostate cancer evolution. Inexpensive ultra-low coverage whole genome sequencing of 318 cfDNA samples from donated blood revealed clinically relevant genomic changes like AR amplification, even in the context of low tumor burden. Collectively, this study illustrates the power of a longitudinal partnership with patients to generate a more representative clinical and molecular understanding of MPC. Note To assist our patient-partners and the wider MPC community interpret the results of this study, we have included a glossary of terms in the Supplementary Materials.

Despite collectively accounting for 25% of tumors in U.S. adults, rare cancers have significant unmet clinical needs as they are difficult to study due to low incidence and geographically dispersed patient populations. We sought to assess whether a patient-partnered research approach using online engagement can overcome these challenges and accelerate scientific discovery in rare cancers, focusing on angiosarcoma (AS), an exceedingly rare sarcoma with a dismal prognosis and an annual U.S. incidence of 300 cases. Here, we describe the development of the Angiosarcoma Project (ASCproject), an initiative enabling patients across the U.S. and Canada to remotely share their clinical information and biospecimens for research. The project generates and publicly releases clinically annotated genomic data on tumor and germline specimens on an ongoing basis. Over 18 months, 338 AS patients registered for the ASCproject, comprising a significant fraction of all patients. Whole exome sequencing of 47 AS tumors revealed several recurrently mutated genes, including KDR, TP53, and PIK3CA. Activating mutations in PIK3CA were observed nearly exclusively in primary breast AS, suggesting a therapeutic rationale in these patients. AS of the head, neck, face, and scalp (HNFS) was associated with high tumor mutation burden and a dominant mutational signature of UV light exposure, suggesting that UV damage may be a causative factor in HNFS AS and that this AS subset might be amenable to immune checkpoint inhibitor therapy. Medical record review revealed two patients with HNFS AS received off-label treatment with anti-PD-1 therapy and experienced exceptional responses, highlighting immune checkpoint inhibition as a therapeutic avenue for HNFS AS. This patient-partnered approach has catalyzed an opportunity to discover the etiology and potential therapies for AS patients. Collectively, this proof of concept study demonstrates that empowering patients to directly participate in research can overcome barriers in rare diseases and enable biological and clinical discoveries.

Clinical resistance mechanisms to CDK4/6 inhibitors in HR+ breast cancer have not been clearly Whole exome sequencing of 59 tumors with CDK4/6i exposure revealed multiple candidate resistance mechanisms including RB1 loss, activating alterations in AKT1, RAS, AURKA, CCNE2, ERBB2, and FGFR2, and loss of ER expression. In vitro experiments confirmed that these alterations conferred CDK4/6i resistance. Cancer cells cultured to resistance with CDK4/6i also acquired RB1, KRAS, AURKA, or CCNE2 alterations, which conferred sensitivity to AURKA, ERK, or CHEK1 inhibition. Besides inactivation of RB1, which accounts for ~5% of resistance, seven of these mechanisms have not been previously identified as clinical mediators of resistance to CDK4/6 inhibitors in patients. Three of these - RAS activation, AKT activation, and AURKA activation - have not to our knowledge been previously demonstrated preclinically. Together, these eight mechanisms were present in 80% of resistant tumors profiled and may define therapeutic opportunities in patients.

Background: Little is known about mechanisms of resistance to PARP inhibitors and platinum chemotherapy in patients with metastatic breast cancer and BRCA1/2 mutations. Further investigation of resistance in clinical cohorts may point to strategies to prevent or overcome treatment failure. Patients and Methods: We obtained tumor biopsies from metastatic breast cancer patients with BRCA1/2 deficiency before and after acquired resistance to PARP inhibitor or platinum chemotherapy. Whole exome sequencing was performed on each tumor, germline DNA, and circulating tumor DNA. Tumors underwent RNA sequencing, and immunohistochemical staining for RAD51 foci on tumor sections was performed for functional assessment of intact homologous recombination. Results: Pre- and post-resistance tumor samples were sequenced from 8 patients (4 with BRCA1 and 4 with BRCA2 mutation; 4 treated with PARP inhibitor and 4 with platinum). Following disease progression on DNA-damaging therapy, four patients (50%) acquired at least one somatic reversion alteration likely to result in functional BRCA1/2 protein detected by tumor or circulating tumor DNA sequencing. Two patients with germline BRCA1 deficiency acquired genomic alterations anticipated to restore homologous recombination through increased DNA end resection: loss of TP53BP1 in one patient and amplification of MRE11A in another. RAD51 foci were acquired post-resistance in all patients with genomic reversion, consistent with reconstitution of homologous recombination. All patients whose tumors demonstrated RAD51 foci post-resistance were intrinsically resistant to subsequent lines of DNA-damaging therapy. Conclusions: Genomic reversion in BRCA1/2 was the most commonly observed mechanism of resistance, occurring in 4 of 8 patients. Novel sequence alterations leading to increased DNA end resection were seen in two patients, and may be targetable for therapeutic benefit. The presence of RAD51 foci by immunohistochemistry was consistent with BRCA1/2 protein functional status from genomic data and predicted response to later DNA-damaging therapy, supporting RAD51 focus formation as a clinically useful biomarker.

The role of rare missense variants in disease causation remains difficult to interpret. We explore whether the clustering pattern of rare missense variants (MAF<0.01) in a protein is associated with mode of inheritance. Mutations in genes associated with autosomal dominant (AD) conditions are known to result in either loss or gain of function, whereas mutations in genes associated with autosomal recessive (AR) conditions invariably result in loss of function. Loss- of-function mutations tend to be distributed uniformly along protein sequence, while gain-of- function mutations tend to localize to key regions. It has not previously been ascertained whether these patterns hold in general for rare missense mutations. We consider the extent to which rare missense variants are located within annotated protein domains and whether they form clusters, using a new unbiased method called CLUstering by Mutation Position (CLUMP). These approaches quantified a significant difference in clustering between AD and AR diseases. Proteins linked to AD diseases exhibited more clustering of rare missense mutations than those linked to AR diseases (Wilcoxon P=5.7x10-4, permutation P=8.4x10-4). Rare missense mutation in proteins linked to either AD or AR diseases were more clustered than controls (1000G) (Wilcoxon P=2.8x10-15 for AD and P=4.5x10-4 for AR, permutation P=3.1x10-12 for AD and P=0.03 for AR). Differences in clustering patterns persisted even after removal of the most prominent genes. Testing for such non-random patterns may reveal novel aspects of disease etiology in large sample studies.