Phosphatidylinositol 3-kinases (PI3Ks) are lipid kinases that regulate signaling pathways important for neoplasia, including cell proliferation, adhesion, survival, and motility ([ 1 ][1]–[ 3 ][2]). To determine if PI3Ks are genetically altered in tumorigenesis, we sequenced PI3K genes in human

The elucidation of the human genome sequence has made it possible to identify genetic alterations in cancers in unprecedented detail. To begin a systematic analysis of such alterations, we determined the sequence of well-annotated human protein-coding genes in two common tumor types. Analysis of 13,023 genes in 11 breast and 11 colorectal cancers revealed that individual tumors accumulate an average of ∼90 mutant genes but that only a subset of these contribute to the neoplastic process. Using stringent criteria to delineate this subset, we identified 189 genes (average of 11 per tumor) that were mutated at significant frequency. The vast majority of these genes were not known to be genetically altered in tumors and are predicted to affect a wide range of cellular functions, including transcription, adhesion, and invasion. These data define the genetic landscape of two human cancer types, provide new targets for diagnostic and therapeutic intervention, and open fertile avenues for basic research in tumor biology.

Human cancer is caused by the accumulation of mutations in oncogenes and tumor suppressor genes. To catalog the genetic changes that occur during tumorigenesis, we isolated DNA from 11 breast and 11 colorectal tumors and determined the sequences of the genes in the Reference Sequence database in these samples. Based on analysis of exons representing 20,857 transcripts from 18,191 genes, we conclude that the genomic landscapes of breast and colorectal cancers are composed of a handful of commonly mutated gene "mountains" and a much larger number of gene "hills" that are mutated at low frequency. We describe statistical and bioinformatic tools that may help identify mutations with a role in tumorigenesis. These results have implications for understanding the nature and heterogeneity of human cancers and for using personal genomics for tumor diagnosis and therapy.

Inactivation of the genes involved in DNA mismatch repair is associated with microsatellite instability (MSI) in colorectal cancer. We report that hypermethylation of the 5′ CpG island of hMLH1 is found in the majority of sporadic primary colorectal cancers with MSI, and that this methylation was often, but not invariably, associated with loss of hMLH1 protein expression. Such methylation also occurred, but was less common, in MSI− tumors, as well as in MSI+ tumors with known mutations of a mismatch repair gene (MMR). No hypermethylation of hMSH2 was found. Hypermethylation of colorectal cancer cell lines with MSI also was frequently observed, and in such cases, reversal of the methylation with 5-aza-2′-deoxycytidine not only resulted in reexpression of hMLH1 protein, but also in restoration of the MMR capacity in MMR-deficient cell lines. Our results suggest that microsatellite instability in sporadic colorectal cancer often results from epigenetic inactivation of hMLH1 in association with DNA methylation.

Mutations of the p53 gene occur commonly in colorectal carcinomas and the wild-type p53 allele is often concomitantly deleted. These findings suggest that the wild-type gene may act as a suppressor of colorectal carcinoma cell growth. To test this hypothesis, wild-type or mutant human p53 genes were transfected into human colorectal carcinoma cell lines. Cells transfected with the wild-type gene formed colonies five- to tenfold less efficiently than those transfected with a mutant p53 gene. In those colonies that did form after wild-type gene transfection, the p53 sequences were found to be deleted or rearranged, or both, and no exogenous p53 messenger RNA expression was observed. In contrast, transfection with the wild-type gene had no apparent effect on the growth of epithelial cells derived from a benign colorectal tumor that had only wild-type p53 alleles. Immunocytochemical techniques demonstrated that carcinoma cells expressing the wild-type gene did not progress through the cell cycle, as evidenced by their failure to incorporate thymidine into DNA. These studies show that the wild-type gene can specifically suppress the growth of human colorectal carcinoma cells in vitro and that an in vivo-derived mutation resulting in a single conservative amino acid substitution in the p53 gene product abrogates this suppressive ability.

Aberrant WNT pathway signaling is an early progression event in 90% of colorectal cancers1. It occurs through mutations mainly of APC and less often of CTNNB1 (encoding β-catenin)1,2,3 or AXIN2 (encoding axin-2, also known as conductin)4. These mutations allow ligand-independent WNT signaling that culminates in abnormal accumulation of free β-catenin in the nucleus1,2,3. We previously identified frequent promoter hypermethylation and gene silencing of the genes encoding secreted frizzled-related proteins (SFRPs) in colorectal cancer5. SFRPs possess a domain similar to one in the WNT-receptor frizzled proteins and can inhibit WNT receptor binding to downregulate pathway signaling during development6,7,8,9,10. Here we show that restoration of SFRP function in colorectal cancer cells attenuates WNT signaling even in the presence of downstream mutations. We also show that the epigenetic loss of SFRP function occurs early in colorectal cancer progression and may thus provide constitutive WNT signaling that is required to complement downstream mutations in the evolution of colorectal cancer.

We show that the times separating the birth of benign, invasive, and metastatic tumor cells can be determined by analysis of the mutations they have in common. When combined with prior clinical observations, these analyses suggest the following general conclusions about colorectal tumorigenesis: ( i ) It takes ≈17 years for a large benign tumor to evolve into an advanced cancer but <2 years for cells within that cancer to acquire the ability to metastasize; ( ii ) it requires few, if any, selective events to transform a highly invasive cancer cell into one with the capacity to metastasize; ( iii ) the process of cell culture ex vivo does not introduce new clonal mutations into colorectal tumor cell populations; and ( iv ) the rates at which point mutations develop in advanced cancers are similar to those of normal cells. These results have important implications for understanding human tumor pathogenesis, particularly those associated with metastasis.