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.

Summary

 For a decade, The Cancer Genome Atlas (TCGA) program collected clinicopathologic annotation data along with multi-platform molecular profiles of more than 11,000 human tumors across 33 different cancer types. TCGA clinical data contain key features representing the democratized nature of the data collection process. To ensure proper use of this large clinical dataset associated with genomic features, we developed a standardized dataset named the TCGA Pan-Cancer Clinical Data Resource (TCGA-CDR), which includes four major clinical outcome endpoints. In addition to detailing major challenges and statistical limitations encountered during the effort of integrating the acquired clinical data, we present a summary that includes endpoint usage recommendations for each cancer type. These TCGA-CDR findings appear to be consistent with cancer genomics studies independent of the TCGA effort and provide opportunities for investigating cancer biology using clinical correlates at an unprecedented scale.

Summary

 Genetic alterations in signaling pathways that control cell-cycle progression, apoptosis, and cell growth are common hallmarks of cancer, but the extent, mechanisms, and co-occurrence of alterations in these pathways differ between individual tumors and tumor types. Using mutations, copy-number changes, mRNA expression, gene fusions and DNA methylation in 9,125 tumors profiled by The Cancer Genome Atlas (TCGA), we analyzed the mechanisms and patterns of somatic alterations in ten canonical pathways: cell cycle, Hippo, Myc, Notch, Nrf2, PI-3-Kinase/Akt, RTK-RAS, TGFβ signaling, p53 and β-catenin/Wnt. We charted the detailed landscape of pathway alterations in 33 cancer types, stratified into 64 subtypes, and identified patterns of co-occurrence and mutual exclusivity. Eighty-nine percent of tumors had at least one driver alteration in these pathways, and 57% percent of tumors had at least one alteration potentially targetable by currently available drugs. Thirty percent of tumors had multiple targetable alterations, indicating opportunities for combination therapy.

We conducted comprehensive integrative molecular analyses of the complete set of tumors in The Cancer Genome Atlas (TCGA), consisting of approximately 10,000 specimens and representing 33 types of cancer. We performed molecular clustering using data on chromosome-arm-level aneuploidy, DNA hypermethylation, mRNA, and miRNA expression levels and reverse-phase protein arrays, of which all, except for aneuploidy, revealed clustering primarily organized by histology, tissue type, or anatomic origin. The influence of cell type was evident in DNA-methylation-based clustering, even after excluding sites with known preexisting tissue-type-specific methylation. Integrative clustering further emphasized the dominant role of cell-of-origin patterns. Molecular similarities among histologically or anatomically related cancer types provide a basis for focused pan-cancer analyses, such as pan-gastrointestinal, pan-gynecological, pan-kidney, and pan-squamous cancers, and those related by stemness features, which in turn may inform strategies for future therapeutic development.

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.

Summary

 Identifying molecular cancer drivers is critical for precision oncology. Multiple advanced algorithms to identify drivers now exist, but systematic attempts to combine and optimize them on large datasets are few. We report a PanCancer and PanSoftware analysis spanning 9,423 tumor exomes (comprising all 33 of The Cancer Genome Atlas projects) and using 26 computational tools to catalog driver genes and mutations. We identify 299 driver genes with implications regarding their anatomical sites and cancer/cell types. Sequence- and structure-based analyses identified >3,400 putative missense driver mutations supported by multiple lines of evidence. Experimental validation confirmed 60%–85% of predicted mutations as likely drivers. We found that >300 MSI tumors are associated with high PD-1/PD-L1, and 57% of tumors analyzed harbor putative clinically actionable events. Our study represents the most comprehensive discovery of cancer genes and mutations to date and will serve as a blueprint for future biological and clinical endeavors.

Cancer progression involves the gradual loss of a differentiated phenotype and acquisition of progenitor and stem-cell-like features. Here, we provide novel stemness indices for assessing the degree of oncogenic dedifferentiation. We used an innovative one-class logistic regression (OCLR) machine-learning algorithm to extract transcriptomic and epigenetic feature sets derived from non-transformed pluripotent stem cells and their differentiated progeny. Using OCLR, we were able to identify previously undiscovered biological mechanisms associated with the dedifferentiated oncogenic state. Analyses of the tumor microenvironment revealed unanticipated correlation of cancer stemness with immune checkpoint expression and infiltrating immune cells. We found that the dedifferentiated oncogenic phenotype was generally most prominent in metastatic tumors. Application of our stemness indices to single-cell data revealed patterns of intra-tumor molecular heterogeneity. Finally, the indices allowed for the identification of novel targets and possible targeted therapies aimed at tumor differentiation.

We performed integrated genomic, transcriptomic, and proteomic profiling of 150 pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) specimens, including samples with characteristic low neoplastic cellularity. Deep whole-exome sequencing revealed recurrent somatic mutations in KRAS, TP53, CDKN2A, SMAD4, RNF43, ARID1A, TGFβR2, GNAS, RREB1, and PBRM1. KRAS wild-type tumors harbored alterations in other oncogenic drivers, including GNAS, BRAF, CTNNB1, and additional RAS pathway genes. A subset of tumors harbored multiple KRAS mutations, with some showing evidence of biallelic mutations. Protein profiling identified a favorable prognosis subset with low epithelial-mesenchymal transition and high MTOR pathway scores. Associations of non-coding RNAs with tumor-specific mRNA subtypes were also identified. Our integrated multi-platform analysis reveals a complex molecular landscape of PDAC and provides a roadmap for precision medicine.

Papillary renal-cell carcinoma, which accounts for 15 to 20% of renal-cell carcinomas, is a heterogeneous disease that consists of various types of renal cancer, including tumors with indolent, multifocal presentation and solitary tumors with an aggressive, highly lethal phenotype. Little is known about the genetic basis of sporadic papillary renal-cell carcinoma, and no effective forms of therapy for advanced disease exist.

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.