Spatial and temporal dissection of the genomic changes occurring during the evolution of human non–small cell lung cancer (NSCLC) may help elucidate the basis for its dismal prognosis. We sequenced 25 spatially distinct regions from seven operable NSCLCs and found evidence of branched evolution, with driver mutations arising before and after subclonal diversification. There was pronounced intratumor heterogeneity in copy number alterations, translocations, and mutations associated with APOBEC cytidine deaminase activity. Despite maintained carcinogen exposure, tumors from smokers showed a relative decrease in smoking-related mutations over time, accompanied by an increase in APOBEC-associated mutations. In tumors from former smokers, genome-doubling occurred within a smoking-signature context before subclonal diversification, which suggested that a long period of tumor latency had preceded clinical detection. The regionally separated driver mutations, coupled with the relentless and heterogeneous nature of the genome instability processes, are likely to confound treatment success in NSCLC.

Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

We conducted the largest investigation of predisposition variants in cancer to date, discovering 853 pathogenic or likely pathogenic variants in 8% of 10,389 cases from 33 cancer types. Twenty-one genes showed single or cross-cancer associations, including novel associations of SDHA in melanoma and PALB2 in stomach adenocarcinoma. The 659 predisposition variants and 18 additional large deletions in tumor suppressors, including ATM, BRCA1, and NF1, showed low gene expression and frequent (43%) loss of heterozygosity or biallelic two-hit events. We also discovered 33 such variants in oncogenes, including missenses in MET, RET, and PTPN11 associated with high gene expression. We nominated 47 additional predisposition variants from prioritized VUSs supported by multiple evidences involving case-control frequency, loss of heterozygosity, expression effect, and co-localization with mutations and modified residues. Our integrative approach links rare predisposition variants to functional consequences, informing future guidelines of variant classification and germline genetic testing in cancer.

Context

Mediastinal nodal staging is recommended for patients with resectable non–small cell lung cancer (NSCLC). Surgical staging has limitations, which results in the performance of unnecessary thoracotomies. Current guidelines acknowledge minimally invasive endosonography followed by surgical staging (if no nodal metastases are found by endosonography) as an alternative to immediate surgical staging.

Objective

To compare the 2 recommended lung cancer staging strategies.

Design, Setting, and Patients

Randomized controlled multicenter trial (Ghent, Leiden, Leuven, Papworth) conducted between February 2007 and April 2009 in 241 patients with resectable (suspected) NSCLC in whom mediastinal staging was indicated based on computed or positron emission tomography.

Intervention

Either surgical staging or endosonography (combined transesophageal and endobronchial ultrasound [EUS-FNA and EBUS-TBNA]) followed by surgical staging in case no nodal metastases were found at endosonography. Thoracotomy with lymph node dissection was performed when there was no evidence of mediastinal tumor spread.

Main Outcome Measures

The primary outcome was sensitivity for mediastinal nodal (N2/N3) metastases. The reference standard was surgical pathological staging. Secondary outcomes were rates of unnecessary thoracotomy and complications.

Results

Two hundred forty-one patients were randomized, 118 to surgical staging and 123 to endosonography, of whom 65 also underwent surgical staging. Nodal metastases were found in 41 patients (35%; 95% confidence interval [CI], 27%-44%) by surgical staging vs 56 patients (46%; 95% CI, 37%-54%) by endosonography (P = .11) and in 62 patients (50%; 95% CI, 42%-59%) by endosonography followed by surgical staging (P = .02). This corresponded to sensitivities of 79% (41/52; 95% CI, 66%-88%) vs 85% (56/66; 95% CI, 74%-92%) (P = .47) and 94% (62/66; 95% CI, 85%-98%) (P = .02). Thoracotomy was unnecessary in 21 patients (18%; 95% CI, 12%-26%) in the mediastinoscopy group vs 9 (7%; 95% CI, 4%-13%) in the endosonography group (P = .02). The complication rate was similar in both groups.

Conclusions

Among patients with (suspected) NSCLC, a staging strategy combining endosonography and surgical staging compared with surgical staging alone resulted in greater sensitivity for mediastinal nodal metastases and fewer unnecessary thoracotomies.

Trial Registration

clinicaltrials.gov Identifier: NCT00432640

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.

Abstract Malignant pleural mesothelioma (MPM) is a highly lethal cancer of the lining of the chest cavity. To expand our understanding of MPM, we conducted a comprehensive integrated genomic study, including the most detailed analysis of BAP1 alterations to date. We identified histology-independent molecular prognostic subsets, and defined a novel genomic subtype with TP53 and SETDB1 mutations and extensive loss of heterozygosity. We also report strong expression of the immune-checkpoint gene VISTA in epithelioid MPM, strikingly higher than in other solid cancers, with implications for the immune response to MPM and for its immunotherapy. Our findings highlight new avenues for further investigation of MPM biology and novel therapeutic options. Significance: Through a comprehensive integrated genomic study of 74 MPMs, we provide a deeper understanding of histology-independent determinants of aggressive behavior, define a novel genomic subtype with TP53 and SETDB1 mutations and extensive loss of heterozygosity, and discovered strong expression of the immune-checkpoint gene VISTA in epithelioid MPM. See related commentary by Aggarwal and Albelda, p. 1508. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 1494

Background

 Lung cancer screening using low-dose CT (LDCT) was shown to reduce lung cancer mortality by 20% in the National Lung Screening Trial. 

Methods

 The pilot UK Lung Cancer Screening (UKLS) is a randomised controlled trial of LDCT screening for lung cancer versus usual care. A population-based questionnaire was used to identify high-risk individuals. CT screen-detected nodules were managed by a pre-specified protocol. Cost effectiveness was modelled with reference to the National Lung Cancer Screening Trial mortality reduction. 

Results

 247 354 individuals aged 50–75 years were approached; 30.7% expressed an interest, 8729 (11.5%) were eligible and 4055 were randomised, 2028 into the CT arm (1994 underwent a CT). Forty-two participants (2.1%) had confirmed lung cancer, 34 (1.7%) at baseline and 8 (0.4%) at the 12-month scan. 28/42 (66.7%) had stage I disease, 36/42 (85.7%) had stage I or II disease. 35/42 (83.3%) had surgical resection. 536 subjects had nodules greater than 50 mm³ or 5 mm diameter and 41/536 were found to have lung cancer. One further cancer was detected by follow-up of nodules between 15 and 50 mm³ at 12 months. The baseline estimate for the incremental cost-effectiveness ratio of once-only CT screening, under the UKLS protocol, was £8466 per quality adjusted life year gained (CI £5542 to £12 569). 

Conclusions

 The UKLS pilot trial demonstrated that it is possible to detect lung cancer at an early stage and deliver potentially curative treatment in over 80% of cases. Health economic analysis suggests that the intervention would be cost effective—this needs to be confirmed using data on observed lung cancer mortality reduction. 

Trial registration

 ISRCTN 78513845.

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