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.

The tumor microenvironment of colorectal carcinoma is a complex community of genomically altered cancer cells, nonneoplastic cells, and a diverse collection of microorganisms. Each of these components may contribute to carcinogenesis; however, the role of the microbiota is the least well understood. We have characterized the composition of the microbiota in colorectal carcinoma using whole genome sequences from nine tumor/normal pairs. Fusobacterium sequences were enriched in carcinomas, confirmed by quantitative PCR and 16S rDNA sequence analysis of 95 carcinoma/normal DNA pairs, while the Bacteroidetes and Firmicutes phyla were depleted in tumors. Fusobacteria were also visualized within colorectal tumors using FISH. These findings reveal alterations in the colorectal cancer microbiota; however, the precise role of Fusobacteria in colorectal carcinoma pathogenesis requires further investigation.

To gain insight into the genomic basis of diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL), we performed massively parallel whole-exome sequencing of 55 primary tumor samples from patients with DLBCL and matched normal tissue. We identified recurrent mutations in genes that are well known to be functionally relevant in DLBCL, including MYD88, CARD11, EZH2, and CREBBP. We also identified somatic mutations in genes for which a functional role in DLBCL has not been previously suspected. These genes include MEF2B, MLL2, BTG1, GNA13, ACTB, P2RY8, PCLO, and TNFRSF14. Further, we show that BCL2 mutations commonly occur in patients with BCL2/IgH rearrangements as a result of somatic hypermutation normally occurring at the IgH locus. The BCL2 point mutations are primarily synonymous, and likely caused by activation-induced cytidine deaminase-mediated somatic hypermutation, as shown by comprehensive analysis of enrichment of mutations in WRCY target motifs. Those nonsynonymous mutations that are observed tend to be found outside of the functionally important BH domains of the protein, suggesting that strong negative selection against BCL2 loss-of-function mutations is at play. Last, by using an algorithm designed to identify likely functionally relevant but infrequent mutations, we identify KRAS, BRAF, and NOTCH1 as likely drivers of DLBCL pathogenesis in some patients. Our data provide an unbiased view of the landscape of mutations in DLBCL, and this in turn may point toward new therapeutic strategies for the disease.

Cervical cancer is responsible for 10-15% of cancer-related deaths in women worldwide. The aetiological role of infection with high-risk human papilloma viruses (HPVs) in cervical carcinomas is well established. Previous studies have also implicated somatic mutations in PIK3CA, PTEN, TP53, STK11 and KRAS as well as several copy-number alterations in the pathogenesis of cervical carcinomas. Here we report whole-exome sequencing analysis of 115 cervical carcinoma-normal paired samples, transcriptome sequencing of 79 cases and whole-genome sequencing of 14 tumour-normal pairs. Previously unknown somatic mutations in 79 primary squamous cell carcinomas include recurrent E322K substitutions in the MAPK1 gene (8%), inactivating mutations in the HLA-B gene (9%), and mutations in EP300 (16%), FBXW7 (15%), NFE2L2 (4%), TP53 (5%) and ERBB2 (6%). We also observe somatic ELF3 (13%) and CBFB (8%) mutations in 24 adenocarcinomas. Squamous cell carcinomas have higher frequencies of somatic nucleotide substitutions occurring at cytosines preceded by thymines (Tp*C sites) than adenocarcinomas. Gene expression levels at HPV integration sites were statistically significantly higher in tumours with HPV integration compared with expression of the same genes in tumours without viral integration at the same site. These data demonstrate several recurrent genomic alterations in cervical carcinomas that suggest new strategies to combat this disease.

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.

Cholangiocarcinoma (CCA) is an aggressive malignancy of the bile ducts, with poor prognosis and limited treatment options. Here, we describe the integrated analysis of somatic mutations, RNA expression, copy number, and DNA methylation by The Cancer Genome Atlas of a set of predominantly intrahepatic CCA cases and propose a molecular classification scheme. We identified an IDH mutant-enriched subtype with distinct molecular features including low expression of chromatin modifiers, elevated expression of mitochondrial genes, and increased mitochondrial DNA copy number. Leveraging the multi-platform data, we observed that ARID1A exhibited DNA hypermethylation and decreased expression in the IDH mutant subtype. More broadly, we found that IDH mutations are associated with an expanded histological spectrum of liver tumors with molecular features that stratify with CCA. Our studies reveal insights into the molecular pathogenesis and heterogeneity of cholangiocarcinoma and provide classification information of potential therapeutic significance.

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.

Significance A significant proportion of head and neck cancer is driven by human papillomavirus (HPV) infection, and the expression of viral oncogenes is involved in the development of these tumors. However, the role of HPV integration in primary tumors beyond increasing the expression of viral oncoproteins is not understood. Here, we describe how HPV integration impacts the host genome by amplification of oncogenes and disruption of tumor suppressors as well as driving inter- and intrachromosomal rearrangements. Tumors that do and do not have HPV integrants display distinct gene expression profiles and DNA methylation patterns, which further support the view that the mechanisms by which tumors with integrated and nonintegrated HPV arise are distinct.

Abstract About half of all cancers have somatic integrations of retrotransposons. Here, to characterize their role in oncogenesis, we analyzed the patterns and mechanisms of somatic retrotransposition in 2,954 cancer genomes from 38 histological cancer subtypes within the framework of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) project. We identified 19,166 somatically acquired retrotransposition events, which affected 35% of samples and spanned a range of event types. Long interspersed nuclear element (LINE-1; L1 hereafter) insertions emerged as the first most frequent type of somatic structural variation in esophageal adenocarcinoma, and the second most frequent in head-and-neck and colorectal cancers. Aberrant L1 integrations can delete megabase-scale regions of a chromosome, which sometimes leads to the removal of tumor-suppressor genes, and can induce complex translocations and large-scale duplications. Somatic retrotranspositions can also initiate breakage–fusion–bridge cycles, leading to high-level amplification of oncogenes. These observations illuminate a relevant role of 22 L1 retrotransposition in remodeling the cancer genome, with potential implications for the development of human tumors.