Colonoscopy and sigmoidoscopy provide protection against colorectal cancer, but the magnitude and duration of protection, particularly against cancer of the proximal colon, remain uncertain.

Large-scale genomic characterization of tumors from prospective cohort studies may yield new insights into cancer pathogenesis. We performed whole-exome sequencing of 619 incident colorectal cancers (CRCs) and integrated the results with tumor immunity, pathology, and survival data. We identified recurrently mutated genes in CRC, such as BCL9L, RBM10, CTCF, and KLF5, that were not previously appreciated in this disease. Furthermore, we investigated the genomic correlates of immune-cell infiltration and found that higher neoantigen load was positively associated with overall lymphocytic infiltration, tumor-infiltrating lymphocytes (TILs), memory T cells, and CRC-specific survival. The association with TILs was evident even within microsatellite-stable tumors. We also found positive selection of mutations in HLA genes and other components of the antigen-processing machinery in TIL-rich tumors. These results may inform immunotherapeutic approaches in CRC. More generally, this study demonstrates a framework for future integrative molecular epidemiology research in colorectal and other malignancies.

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.

Colorectal cancer is typically classified into proximal colon, distal colon and rectal cancer. Tumour genetic and epigenetic features differ by tumour location. Considering a possible role of bowel contents (including microbiome) in carcinogenesis, this study hypothesised that tumour molecular features might gradually change along bowel subsites, rather than change abruptly at splenic flexure.Utilising 1443 colorectal cancers in two US nationwide prospective cohort studies, the frequencies of molecular features (CpG island methylator phenotype (CIMP), microsatellite instability (MSI), LINE-1 methylation and BRAF, KRAS and PIK3CA mutations) were examined along bowel subsites (rectum, rectosigmoid junction, sigmoid, descending colon, splenic flexure, transverse colon, hepatic flexure, ascending colon and caecum). The linearity and non-linearity of molecular relations along subsites were statistically tested by multivariate logistic or linear regression analysis.The frequencies of CIMP-high, MSI-high and BRAF mutations gradually increased from the rectum (<2.3%) to ascending colon (36-40%), followed by falls in the caecum (12-22%). By linearity tests, these molecular relations were significantly linear from rectum to ascending colon (p<0.0001), and there was little evidence of non-linearity (p>0.09). Caecal cancers exhibited the highest frequency of KRAS mutations (52% vs 27-35% in other sites; p<0.0001).The frequencies of CIMP-high, MSI-high and BRAF mutations in cancer increased gradually along colorectum subsites from the rectum to ascending colon. These novel data challenge the common conception of discrete molecular features of proximal versus distal colorectal cancers, and have a substantial impact on clinical, translational and epidemiology research, which has typically been performed with the dichotomous classification of proximal versus distal tumours.

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.

Abstract To understand the genetic drivers of immune recognition and evasion in colorectal cancer, we analyzed 1,211 colorectal cancer primary tumor samples, including 179 classified as microsatellite instability–high (MSI-high). This set includes The Cancer Genome Atlas colorectal cancer cohort of 592 samples, completed and analyzed here. MSI-high, a hypermutated, immunogenic subtype of colorectal cancer, had a high rate of significantly mutated genes in important immune-modulating pathways and in the antigen presentation machinery, including biallelic losses of B2M and HLA genes due to copy-number alterations and copy-neutral loss of heterozygosity. WNT/β-catenin signaling genes were significantly mutated in all colorectal cancer subtypes, and activated WNT/β-catenin signaling was correlated with the absence of T-cell infiltration. This large-scale genomic analysis of colorectal cancer demonstrates that MSI-high cases frequently undergo an immunoediting process that provides them with genetic events allowing immune escape despite high mutational load and frequent lymphocytic infiltration and, furthermore, that colorectal cancer tumors have genetic and methylation events associated with activated WNT signaling and T-cell exclusion. Significance: This multi-omic analysis of 1,211 colorectal cancer primary tumors reveals that it should be possible to better monitor resistance in the 15% of cases that respond to immune blockade therapy and also to use WNT signaling inhibitors to reverse immune exclusion in the 85% of cases that currently do not. Cancer Discov; 8(6); 730–49. ©2018 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 663

Levi Garraway and colleagues report the identification of somatic mutations of RNF43, which encodes an E3 ubiquitin ligase that negatively regulates Wnt signaling, in over 18% of colorectal adenocarcinomas and endometrial carcinomas. We report somatic mutations of RNF43 in over 18% of colorectal adenocarcinomas and endometrial carcinomas. RNF43 encodes an E3 ubiquitin ligase that negatively regulates Wnt signaling. Truncating mutations of RNF43 are more prevalent in microsatellite-unstable tumors and show mutual exclusivity with inactivating APC mutations in colorectal adenocarcinomas. These results indicate that RNF43 is one of the most commonly mutated genes in colorectal and endometrial cancers.

BRAF mutation in colorectal cancer is associated with microsatellite instability (MSI) through its relationship with high-level CpG island methylator phenotype (CIMP) and MLH1 promoter methylation. MSI and BRAF mutation analyses are routinely used for familial cancer risk assessment. To clarify clinical outcome associations of combined MSI/BRAF subgroups, we investigated survival in 1253 rectal and colon cancer patients within the Nurses' Health Study and Health Professionals Follow-up Study with available data on clinical and other molecular features, including CIMP, LINE-1 hypomethylation, and KRAS and PIK3CA mutations. Compared with the majority subtype of microsatellite stable (MSS)/BRAF-wild-type, MSS/BRAF-mutant, MSI-high/BRAF-mutant, and MSI-high/BRAF-wild-type subtypes showed multivariable colorectal cancer-specific mortality hazard ratios of 1.60 (95% confidence interval [CI] =1.12 to 2.28; P = .009), 0.48 (95% CI = 0.27 to 0.87; P = .02), and 0.25 (95% CI = 0.12 to 0.52; P < .001), respectively. No evidence existed for a differential prognostic role of BRAF mutation by MSI status (P(interaction) > .50). Combined BRAF/MSI status in colorectal cancer is a tumor molecular biomarker for prognosic risk stratification.

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.

Evidence suggests a possible role of Fusobacterium nucleatum in colorectal carcinogenesis, especially in right-sided proximal colorectum. Considering a change in bowel contents and microbiome from proximal to distal colorectal segments, we hypothesized that the proportion of colorectal carcinoma enriched with F. nucleatum might gradually increase along the bowel subsites from rectum to cecum.A retrospective, cross-sectional analysis was conducted on 1,102 colon and rectal carcinomas in molecular pathological epidemiology databases of the Nurses' Health Study and the Health Professionals Follow-up Study. We measured the amount of F. nucleatum DNA in colorectal tumor tissue using a quantitative PCR assay and equally dichotomized F. nucleatum-positive cases (high vs. low). We used multivariable logistic regression analysis to examine the relationship of a bowel subsite variable (rectum, rectosigmoid junction, sigmoid colon, descending colon, splenic flexure, transverse colon, hepatic flexure, ascending colon, and cecum) with the amount of F. nucleatum.The proportion of F. nucleatum-high colorectal cancers gradually increased from rectal cancers (2.5%; 4/157) to cecal cancers (11%; 19/178), with a statistically significant linear trend along all subsites (P<0.0001) and little evidence of non-linearity. The proportion of F. nucleatum-low cancers was higher in rectal, ascending colon, and cecal cancers than in cancers of middle segments.The proportion of F. nucleatum-high colorectal cancers gradually increases from rectum to cecum. Our data support the colorectal continuum model that reflects pathogenic influences of the gut microbiota on neoplastic and immune cells and challenges the prevailing two-colon (proximal vs. distal) dichotomy paradigm.