Summary

 We performed an extensive immunogenomic analysis of more than 10,000 tumors comprising 33 diverse cancer types by utilizing data compiled by TCGA. Across cancer types, we identified six immune subtypes—wound healing, IFN-γ dominant, inflammatory, lymphocyte depleted, immunologically quiet, and TGF-β dominant—characterized by differences in macrophage or lymphocyte signatures, Th1:Th2 cell ratio, extent of intratumoral heterogeneity, aneuploidy, extent of neoantigen load, overall cell proliferation, expression of immunomodulatory genes, and prognosis. Specific driver mutations correlated with lower (CTNNB1, NRAS, or IDH1) or higher (BRAF, TP53, or CASP8) leukocyte levels across all cancers. Multiple control modalities of the intracellular and extracellular networks (transcription, microRNAs, copy number, and epigenetic processes) were involved in tumor-immune cell interactions, both across and within immune subtypes. Our immunogenomics pipeline to characterize these heterogeneous tumors and the resulting data are intended to serve as a resource for future targeted studies to further advance the field.

We report a comprehensive analysis of 412 muscle-invasive bladder cancers characterized by multiple TCGA analytical platforms. Fifty-eight genes were significantly mutated, and the overall mutational load was associated with APOBEC-signature mutagenesis. Clustering by mutation signature identified a high-mutation subset with 75% 5-year survival. mRNA expression clustering refined prior clustering analyses and identified a poor-survival “neuronal” subtype in which the majority of tumors lacked small cell or neuroendocrine histology. Clustering by mRNA, long non-coding RNA (lncRNA), and miRNA expression converged to identify subsets with differential epithelial-mesenchymal transition status, carcinoma in situ scores, histologic features, and survival. Our analyses identified 5 expression subtypes that may stratify response to different treatments.

Colorectal cancers comprise a complex mixture of malignant cells, nontransformed cells, and microorganisms. Fusobacterium nucleatum is among the most prevalent bacterial species in colorectal cancer tissues. Here we show that colonization of human colorectal cancers with Fusobacterium and its associated microbiome-including Bacteroides, Selenomonas, and Prevotella species-is maintained in distal metastases, demonstrating microbiome stability between paired primary and metastatic tumors. In situ hybridization analysis revealed that Fusobacterium is predominantly associated with cancer cells in the metastatic lesions. Mouse xenografts of human primary colorectal adenocarcinomas were found to retain viable Fusobacterium and its associated microbiome through successive passages. Treatment of mice bearing a colon cancer xenograft with the antibiotic metronidazole reduced Fusobacterium load, cancer cell proliferation, and overall tumor growth. These observations argue for further investigation of antimicrobial interventions as a potential treatment for patients with Fusobacterium-associated colorectal cancer.

Objective

 Accumulating evidence links the intestinal microbiota and colorectal carcinogenesis. Fusobacterium nucleatum may promote colorectal tumour growth and inhibit T cell-mediated immune responses against colorectal tumours. Thus, we hypothesised that the amount of F. nucleatum in colorectal carcinoma might be associated with worse clinical outcome. 

Design

 We used molecular pathological epidemiology database of 1069 rectal and colon cancer cases in the Nurses’ Health Study and the Health Professionals Follow-up Study, and measured F. nucleatum DNA in carcinoma tissue. Cox proportional hazards model was used to compute hazard ratio (HR), controlling for potential confounders, including microsatellite instability (MSI, mismatch repair deficiency), CpG island methylator phenotype (CIMP), KRAS, BRAF, and PIK3CA mutations, and LINE-1 hypomethylation (low-level methylation). 

Results

 Compared with F. nucleatum-negative cases, multivariable HRs (95% CI) for colorectal cancer-specific mortality in F. nucleatum-low cases and F. nucleatum-high cases were 1.25 (0.82 to 1.92) and 1.58 (1.04 to 2.39), respectively, (p for trend=0.020). The amount of F. nucleatum was associated with MSI-high (multivariable odd ratio (OR), 5.22; 95% CI 2.86 to 9.55) independent of CIMP and BRAF mutation status, whereas CIMP and BRAF mutation were associated with F. nucleatum only in univariate analyses (p<0.001) but not in multivariate analysis that adjusted for MSI status. 

Conclusions

 The amount of F. nucleatum DNA in colorectal cancer tissue is associated with shorter survival, and may potentially serve as a prognostic biomarker. Our data may have implications in developing cancer prevention and treatment strategies through targeting GI microflora by diet, probiotics and antibiotics.

Summary

 Lung cancer is closely associated with chronic inflammation, but the causes of inflammation and the specific immune mediators have not been fully elucidated. The lung is a mucosal tissue colonized by a diverse bacterial community, and pulmonary infections commonly present in lung cancer patients are linked to clinical outcomes. Here, we provide evidence that local microbiota provoke inflammation associated with lung adenocarcinoma by activating lung-resident γδ T cells. Germ-free or antibiotic-treated mice were significantly protected from lung cancer development induced by Kras mutation and p53 loss. Mechanistically, commensal bacteria stimulated Myd88-dependent IL-1β and IL-23 production from myeloid cells, inducing proliferation and activation of Vγ6⁺Vδ1⁺ γδ T cells that produced IL-17 and other effector molecules to promote inflammation and tumor cell proliferation. Our findings clearly link local microbiota-immune crosstalk to lung tumor development and thereby define key cellular and molecular mediators that may serve as effective targets in lung cancer intervention.

Importance

 Evidence indicates a complex link between gut microbiome, immunity, and intestinal tumorigenesis. To target the microbiota and immunity for colorectal cancer prevention and therapy, a better understanding of the relationship between microorganisms and immune cells in the tumor microenvironment is needed. Experimental evidence suggests thatFusobacterium nucleatummay promote colonic neoplasia development by downregulating antitumor T cell–mediated adaptive immunity. 

Objective

 To test the hypothesis that a greater amount ofF nucleatumin colorectal carcinoma tissue is associated with a lower density of T cells in tumor tissue. 

Design, Setting, and Participants

 A cross-sectional analysis was conducted on 598 rectal and colon carcinoma cases in 2 US nationwide prospective cohort studies with follow-up through 2006, the Nurses’ Health Study (participants enrolled in 1976) and the Health Professionals Follow-up Study (participants enrolled in 1986). Tissue collection and processing were performed from 2002 through 2008, and immunity assessment, 2008 through 2009. From 2013 through 2014, the amount ofF nucleatumin colorectal carcinoma tissue was measured by quantitative polymerase chain reaction assay; we equally dichotomized positive cases (high vs low). Multivariable ordinal logistic regression analysis was conducted in 2014 to assess associations of the amount ofF nucleatumwith densities (quartiles) of T cells in tumor tissue, controlling for clinical and tumor molecular features, including microsatellite instability, CpG island methylator phenotype, long interspersed nucleotide element-1 (LINE-1) methylation, andKRAS,BRAF, andPIK3CAmutation status. We adjusted the 2-sided α level to .013 for multiple hypothesis testing. 

Main Outcomes and Measures

 Densities of CD3⁺, CD8⁺, CD45RO (protein tyrosine phosphatase receptor type C [PTPRC])⁺, and FOXP3⁺T cells in tumor tissue, determined by means of tissue microarray immunohistochemical analysis and computer-assisted image analysis. 

Results

 F nucleatumwas detected in colorectal carcinoma tissue in 76 (13%) of 598 cases. Compared withF nucleatum–negative cases,F nucleatum–high cases were inversely associated with the density of CD3⁺T cells (for a unit increase in quartile categories of CD3⁺T cells as an outcome: multivariable odds ratio, 0.47 [95% CI, 0.26-0.87];Pfor trend = .006). The amount ofF nucleatumwas not significantly associated with the density of CD8⁺, CD45RO⁺, or FOXP3⁺T cells (P fortrend = .24, .88, and .014, respectively). 

Conclusions and Relevance

 The amount of tissueF nucleatumis inversely associated with CD3⁺T-cell density in colorectal carcinoma tissue. On validation, our human population data may provide an impetus for further investigations on potential interactive roles ofFusobacteriumand host immunity in colon carcinogenesis.

We analyzed 921 adenocarcinomas of the esophagus, stomach, colon, and rectum to examine shared and distinguishing molecular characteristics of gastrointestinal tract adenocarcinomas (GIACs). Hypermutated tumors were distinct regardless of cancer type and comprised those enriched for insertions/deletions, representing microsatellite instability cases with epigenetic silencing of MLH1 in the context of CpG island methylator phenotype, plus tumors with elevated single-nucleotide variants associated with mutations in POLE. Tumors with chromosomal instability were diverse, with gastroesophageal adenocarcinomas harboring fragmented genomes associated with genomic doubling and distinct mutational signatures. We identified a group of tumors in the colon and rectum lacking hypermutation and aneuploidy termed genome stable and enriched in DNA hypermethylation and mutations in KRAS, SOX9, and PCBP1.

Abstract The tumour-associated microbiota is an intrinsic component of the tumour microenvironment across human cancer types 1,2 . Intratumoral host–microbiota studies have so far largely relied on bulk tissue analysis 1–3 , which obscures the spatial distribution and localized effect of the microbiota within tumours. Here, by applying in situ spatial-profiling technologies 4 and single-cell RNA sequencing 5 to oral squamous cell carcinoma and colorectal cancer, we reveal spatial, cellular and molecular host–microbe interactions. We adapted 10x Visium spatial transcriptomics to determine the identity and in situ location of intratumoral microbial communities within patient tissues. Using GeoMx digital spatial profiling 6 , we show that bacterial communities populate microniches that are less vascularized, highly immuno‑suppressive and associated with malignant cells with lower levels of Ki-67 as compared to bacteria-negative tumour regions. We developed a single-cell RNA-sequencing method that we name INVADEseq (invasion–adhesion-directed expression sequencing) and, by applying this to patient tumours, identify cell-associated bacteria and the host cells with which they interact, as well as uncovering alterations in transcriptional pathways that are involved in inflammation, metastasis, cell dormancy and DNA repair. Through functional studies, we show that cancer cells that are infected with bacteria invade their surrounding environment as single cells and recruit myeloid cells to bacterial regions. Collectively, our data reveal that the distribution of the microbiota within a tumour is not random; instead, it is highly organized in microniches with immune and epithelial cell functions that promote cancer progression.

Highlights•SCCs show chromosome or methylation alterations affecting multiple related genes•These regulate squamous stemness, differentiation, growth, survival, and inflammation•Copy-quiet SCCs have hypermethylated (FANCF, TET1) or mutated (CASP8, MAPK-RAS) genes•Potential targets include ΔNp63, WEE1, IAPs, PI3K-mTOR/MAPK, and immune responsesSummaryThis 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.Graphical abstract

Importance

 Fusobacterium nucleatumappears to play a role in colorectal carcinogenesis through suppression of the hosts’ immune response to tumor. Evidence also suggests that diet influences intestinalF nucleatum.However, the role ofF nucleatumin mediating the relationship between diet and the risk of colorectal cancer is unknown. 

Objective

 To test the hypothesis that the associations of prudent diets (rich in whole grains and dietary fiber) and Western diets (rich in red and processed meat, refined grains, and desserts) with colorectal cancer risk may differ according to the presence ofF nucleatumin tumor tissue. 

Design, Setting, and Participants

 A prospective cohort study was conducted using data from the Nurses’ Health Study (June 1, 1980, to June 1, 2012) and the Health Professionals Follow-up Study (June 1, 1986, to June 1, 2012) on a total of 121 700 US female nurses and 51 529 US male health professionals aged 30 to 55 years and 40 to 75 years, respectively (both predominantly white individuals), at enrollment. Data analysis was performed from March 15, 2015, to August 10, 2016. 

Exposures

 Prudent and Western diets. 

Main Outcomes and Measures

 Incidence of colorectal carcinoma subclassified byF nucleatumstatus in tumor tissue, determined by quantitative polymerase chain reaction. 

Results

 Of the 173 229 individuals considered for the study, 137 217 were included in the analysis, 47 449 were male (34.6%), and mean (SD) baseline age for men was 54.0 (9.8) years and for women, 46.3 (7.2) years. A total of 1019 incident colon and rectal cancer cases with availableF nucleatumdata were documented over 26 to 32 years of follow-up, encompassing 3 643 562 person-years. The association of prudent diet with colorectal cancer significantly differed by tissueF nucleatumstatus (P = .01 for heterogeneity); prudent diet score was associated with a lower risk ofF nucleatum–positive cancers (P = .003 for trend; multivariable hazard ratio of 0.43; 95% CI, 0.25-0.72, for the highest vs the lowest prudent score quartile) but not withF nucleatum–negative cancers (P = .47 for trend, the corresponding multivariable hazard ratio of 0.95; 95% CI, 0.77-1.17). There was no significant heterogeneity between the subgroups in relation to Western dietary pattern scores. 

Conclusions and Relevance

 Prudent diets rich in whole grains and dietary fiber are associated with a lower risk forF nucleatum–positive colorectal cancer but notF nucleatum–negative cancer, supporting a potential role for intestinal microbiota in mediating the association between diet and colorectal neoplasms.