Summary

 There is substantial heterogeneity among primary prostate cancers, evident in the spectrum of molecular abnormalities and its variable clinical course. As part of The Cancer Genome Atlas (TCGA), we present a comprehensive molecular analysis of 333 primary prostate carcinomas. Our results revealed a molecular taxonomy in which 74% of these tumors fell into one of seven subtypes defined by specific gene fusions (ERG, ETV1/4, and FLI1) or mutations (SPOP, FOXA1, and IDH1). Epigenetic profiles showed substantial heterogeneity, including an IDH1 mutant subset with a methylator phenotype. Androgen receptor (AR) activity varied widely and in a subtype-specific manner, with SPOP and FOXA1 mutant tumors having the highest levels of AR-induced transcripts. 25% of the prostate cancers had a presumed actionable lesion in the PI3K or MAPK signaling pathways, and DNA repair genes were inactivated in 19%. Our analysis reveals molecular heterogeneity among primary prostate cancers, as well as potentially actionable molecular defects.

We integrated the genomic sequencing of 1,918 breast cancers, including 1,501 hormone receptor-positive tumors, with detailed clinical information and treatment outcomes. In 692 tumors previously exposed to hormonal therapy, we identified an increased number of alterations in genes involved in the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway and in the estrogen receptor transcriptional machinery. Activating ERBB2 mutations and NF1 loss-of-function mutations were more than twice as common in endocrine resistant tumors. Alterations in other MAPK pathway genes (EGFR, KRAS, among others) and estrogen receptor transcriptional regulators (MYC, CTCF, FOXA1, and TBX3) were also enriched. Altogether, these alterations were present in 22% of tumors, mutually exclusive with ESR1 mutations, and associated with a shorter duration of response to subsequent hormonal therapies.

Summary

 Comprehensive multiplatform analysis of 80 uveal melanomas (UM) identifies four molecularly distinct, clinically relevant subtypes: two associated with poor-prognosis monosomy 3 (M3) and two with better-prognosis disomy 3 (D3). We show that BAP1 loss follows M3 occurrence and correlates with a global DNA methylation state that is distinct from D3-UM. Poor-prognosis M3-UM divide into subsets with divergent genomic aberrations, transcriptional features, and clinical outcomes. We report change-of-function SRSF2 mutations. Within D3-UM, EIF1AX- and SRSF2/SF3B1-mutant tumors have distinct somatic copy number alterations and DNA methylation profiles, providing insight into the biology of these low- versus intermediate-risk clinical mutation subtypes.

Mutational hotspots indicate selective pressure across a population of tumor samples, but their prevalence within and across cancer types is incompletely characterized. An approach to detect significantly mutated residues, rather than methods that identify recurrently mutated genes, may uncover new biologically and therapeutically relevant driver mutations. Here, we developed a statistical algorithm to identify recurrently mutated residues in tumor samples. We applied the algorithm to 11,119 human tumors, spanning 41 cancer types, and identified 470 somatic substitution hotspots in 275 genes. We find that half of all human tumors possess one or more mutational hotspots with widespread lineage-, position- and mutant allele-specific differences, many of which are likely functional. In total, 243 hotspots were novel and appeared to affect a broad spectrum of molecular function, including hotspots at paralogous residues of Ras-related small GTPases RAC1 and RRAS2. Redefining hotspots at mutant amino acid resolution will help elucidate the allele-specific differences in their function and could have important therapeutic implications.

Abstract Tumor genetic testing is standard of care for patients with advanced lung adenocarcinoma, but the fraction of patients who derive clinical benefit remains undefined. Here, we report the experience of 860 patients with metastatic lung adenocarcinoma analyzed prospectively for mutations in >300 cancer-associated genes. Potentially actionable genetic events were stratified into one of four levels based upon published clinical or laboratory evidence that the mutation in question confers increased sensitivity to standard or investigational therapies. Overall, 37.1% (319/860) of patients received a matched therapy guided by their tumor molecular profile. Excluding alterations associated with standard-of-care therapy, 14.4% (69/478) received matched therapy, with a clinical benefit of 52%. Use of matched therapy was strongly influenced by the level of preexistent clinical evidence that the mutation identified predicts for drug response. Analysis of genes mutated significantly more often in tumors without known actionable mutations nominated STK11 and KEAP1 as possible targetable mitogenic drivers. Significance: An increasing number of therapies that target molecular alterations required for tumor maintenance and progression have demonstrated clinical activity in patients with lung adenocarcinoma. The data reported here suggest that broader, early testing for molecular alterations that have not yet been recognized as standard-of-care predictive biomarkers of drug response could accelerate the development of targeted agents for rare mutational events and could result in improved clinical outcomes. Cancer Discov; 7(6); 596–609. ©2017 AACR. See related commentary by Liu et al., p. 555. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 539

Ploidy abnormalities are a hallmark of cancer, but their impact on the evolution and outcomes of cancers is unknown. Here, we identified whole-genome doubling (WGD) in the tumors of nearly 30% of 9,692 prospectively sequenced advanced cancer patients. WGD varied by tumor lineage and molecular subtype, and arose early in carcinogenesis after an antecedent transforming driver mutation. While associated with TP53 mutations, 46% of all WGD arose in TP53-wild-type tumors and in such cases was associated with an E2F-mediated G1 arrest defect, although neither aberration was obligate in WGD tumors. The variability of WGD across cancer types can be explained in part by cancer cell proliferation rates. WGD predicted for increased morbidity across cancer types, including KRAS-mutant colorectal cancers and estrogen receptor-positive breast cancers, independently of established clinical prognostic factors. We conclude that WGD is highly common in cancer and is a macro-evolutionary event associated with poor prognosis across cancer types. The authors identify whole-genome doubling (WGD) in 30% of ~10,000 sequenced tumors from patients with advanced cancer. WGD correlates with increased risk of death across cancer types.

Abstract Human cancers can exhibit phenotype switching, resulting in cells that are more metastatic or that are more tolerant to treatment. However, the relationship between these aggressive states is not well understood. We investigated the dynamics of phenotypic switching in human melanoma cells by monitoring the fluorescent activity from a transgenic reporter of BRN2 promoter activation. Melanoma cells exhibit heterogeneous BRN2 expression patterns that are reestablished upon isolation and clonal outgrowth. Specifically, stable BRN2 expression was generally inherited over multiple generations while undergoing occasional bidirectional interconversion. We found that BRN2 low cells were required for tumor initiation and metastasis in animal engraftment assays but were more sensitive to targeted BRAF inhibition. In contrast, the BRN2 high state was not tumorigenic, but entry into this state was uniform and persistent among cells tolerant to targeted BRAF therapy. Single-cell RNA sequencing analyses revealed core programs exclusive to either the BRN2 high or low cells, each of which is present in ex vivo tumors, demonstrating the physiological relevance of these states. Our findings emphasize that one challenge of effectively targeting phenotype switching in melanoma as a therapeutic strategy could be balancing distinct aggressive phenotypes so that sensitizing tumors to BRAF inhibition does not inadvertently lead to further dissemination. Teaser Unraveling melanoma’s shape-shifting behavior: insights into how cancer cells swap between metastasis and drug evasion.

The DNA damage response (DDR) comprises multiple functions that collectively preserve genomic integrity and suppress tumorigenesis. The Mre11 complex and ATM govern a major axis of the DDR and several lines of evidence implicate that axis in tumor suppression. Components of the Mre11 complex are mutated in approximately five percent of human cancers. Inherited mutations of complex members cause severe chromosome instability syndromes, such as Nijmegen Breakage Syndrome, which is associated with strong predisposition to malignancy. And in mice, Mre11 complex mutations are markedly more susceptible to oncogene-induced carcinogenesis. The complex is integral to all modes of double strand break (DSB) repair and is required for the activation of ATM to effect DNA damage signaling. To understand which functions of the Mre11 complex are important for tumor suppression, we undertook mining of cancer genomic data from the clinical sequencing program at Memorial Sloan Kettering Cancer Center, which includes the Mre11 complex among the 468 genes assessed. Twenty five mutations in MRE11 and RAD50 were modeled in S. cerevisiae and in vitro. The mutations were chosen based on recurrence and conservation between human and yeast. We found that a significant fraction of tumor-borne RAD50 and MRE11 mutations exhibited separation of function phenotypes wherein Tel1/ATM activation was defective while DNA repair functions were mildly or not affected. At the molecular level, the gene products of RAD50 mutations exhibited defects in ATP binding and hydrolysis. The data reflect the importance of Rad50 ATPase activity for Tel1/ATM activation and suggest that inactivation of ATM signaling confers an advantage to burgeoning tumor cells.

The Hippo pathway is among the most frequently altered key signaling pathways in cancer. TEAD1-4 are essential transcription factors and key downstream effectors in the Hippo pathway. Here we identified RNF146 as a ubiquitin ligase (E3) that can catalyze TEAD ubiquitination and negatively regulate their function in cells. We show that this ubiquitin of TEADs is governed by their PARylation state and validated the genetic interaction between RNF146 and the Hippo pathway in cancer cell lines and the model organism Drosophila melanogaster. Furthermore, we demonstrate that pharmacologically induced ubiquitination of TEADs by heterobifunctional chemical inducers of protein degradation (CIDE) molecules can promote potent pan-TEAD degradation. These TEAD-CIDEs can effectively suppress activation of TEAD target genes in a dose-dependent manner and exhibited significant anti-proliferative effects in Hippo-dependent tumor cells, thus phenocopy the effect of genetic ablation of TEAD protein. Collectively, this study demonstrates a post-translational mechanism of TEAD protein regulation and provides a proof-of-concept demonstration that pharmacological induced TEAD ubiquitination could be an effective therapeutic strategy to target Hippo-driven cancers.