Melanoma of the skin is a common cancer only in Europeans, whereas it arises in internal body surfaces (mucosal sites) and on the hands and feet (acral sites) in people throughout the world. Here we report analysis of whole-genome sequences from cutaneous, acral and mucosal subtypes of melanoma. The heavily mutated landscape of coding and non-coding mutations in cutaneous melanoma resolved novel signatures of mutagenesis attributable to ultraviolet radiation. However, acral and mucosal melanomas were dominated by structural changes and mutation signatures of unknown aetiology, not previously identified in melanoma. The number of genes affected by recurrent mutations disrupting non-coding sequences was similar to that affected by recurrent mutations to coding sequences. Significantly mutated genes included BRAF, CDKN2A, NRAS and TP53 in cutaneous melanoma, BRAF, NRAS and NF1 in acral melanoma and SF3B1 in mucosal melanoma. Mutations affecting the TERT promoter were the most frequent of all; however, neither they nor ATRX mutations, which correlate with alternative telomere lengthening, were associated with greater telomere length. Most melanomas had potentially actionable mutations, most in components of the mitogen-activated protein kinase and phosphoinositol kinase pathways. The whole-genome mutation landscape of melanoma reveals diverse carcinogenic processes across its subtypes, some unrelated to sun exposure, and extends potential involvement of the non-coding genome in its pathogenesis. The first large, high-coverage whole-genome sequencing study of melanomas from cutaneous, acral and mucosal sites. Melanoma is a highly metastatic cancer with a high mutation load, and signatures in some subtypes are often associated with exposure to ultraviolet radiation. Graham Mann and colleagues report whole-genome sequencing of tumour samples from patients with melanoma, including 75 primary melanomas, 93 melanoma metastases and 15 cell lines derived from melanoma metastases. The authors compare the genomic landscapes of cutaneous, acral and mucosal subtypes of melanoma, identifying distinct mutational signatures by subtype. Cutaneous melanomas showed mutational signatures of ultraviolet radiation exposure, whereas acral and mucosal melanomas showed a lower mutation burden and more frequent complex structural rearrangements in comparison to other melanoma subtypes. Understanding the whole-genome landscapes of all melanoma subtypes is important for investigating melanoma prevention and targeted treatment.

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.

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.

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

Abstract Purpose: Disruption of PD-L1/cytotoxic T-cell PD-1 signaling by immune checkpoint inhibitors improves survival in cancer patients. This study sought to identify changes in tumoral PD-L1 expression and tumor-associated immune cell flux with anti-PD-1 therapies in patients with melanoma, particularly early during treatment, and correlate them with treatment response. Experimental Design: Forty-six tumor biopsies from 23 patients with unresectable AJCC stage III/IV melanoma receiving pembrolizumab/nivolumab were analyzed. Biopsies were collected prior to (PRE, n = 21), within 2 months of commencing treatment (EDT, n = 20) and on disease progression after previous response (PROG, n = 5). Thirteen patients responded (defined as CR, PR, or durable SD by RECIST/irRC criteria), and 10 did not respond. Results: PRE intratumoral and peritumoral PD-1+ T-cell densities were sevenfold (P = 0.006) and fivefold higher (P = 0.011), respectively, in responders compared with nonresponders and correlated with degree of radiologic tumor response (r = −0.729, P = 0.001 and r = −0.725, P = 0.001, respectively). PRE PD-L1 expression on tumor and macrophages was not significantly different between the patient groups, but tumoral PD-L1 and macrophage PD-L1 expression was higher in the EDT of responders versus nonresponders (P = 0.025 and P = 0.033). Responder EDT biopsies (compared with PRE) also showed significant increases in intratumoral CD8+ lymphocytes (P = 0.046) and intratumoral CD68+ macrophages (P = 0.046). Conclusions: Higher PRE PD-1+ T cells in responders suggest active suppression of an engaged immune system that is disinhibited by anti-PD-1 therapies. Furthermore, immunoprofiling of EDT biopsies for increased PD-L1 expression and immune cell infiltration showed greater predictive utility than PRE biopsies and may allow better selection of patients most likely to benefit from anti-PD-1 therapies and warrants further evaluation. Clin Cancer Res; 23(17); 5024–33. ©2017 AACR.

PURPOSE Patients with stage II and III cutaneous primary melanoma vary considerably in their risk of melanoma-related death. We explore the ability of methylation profiling to distinguish primary melanoma methylation classes and their associations with clinicopathologic characteristics and survival. MATERIALS AND METHODS InterMEL is a retrospective case-control study that assembled primary cutaneous melanomas from American Joint Committee on Cancer (AJCC) 8th edition stage II and III patients diagnosed between 1998 and 2015 in the United States and Australia. Cases are patients who died of melanoma within 5 years from original diagnosis. Controls survived longer than 5 years without evidence of melanoma recurrence or relapse. Methylation classes, distinguished by consensus clustering of 850K methylation data, were evaluated for their clinicopathologic characteristics, 5-year survival status, and differentially methylated gene sets. RESULTS Among 422 InterMEL melanomas, consensus clustering revealed three primary melanoma methylation classes (MethylClasses): a CpG island methylator phenotype (CIMP) class, an intermediate methylation (IM) class, and a low methylation (LM) class. CIMP and IM were associated with higher AJCC stage (both P = .002), Breslow thickness (CIMP P = .002; IM P = .006), and mitotic index (both P < .001) compared with LM, while IM had higher N stage than CIMP ( P = .01) and LM ( P = .007). CIMP and IM had a 2-fold higher likelihood of 5-year death from melanoma than LM (CIMP odds ratio [OR], 2.16 [95% CI, 1.18 to 3.96]; IM OR, 2.00 [95% CI, 1.12 to 3.58]) in a multivariable model adjusted for age, sex, log Breslow thickness, ulceration, mitotic index, and N stage. Despite more extensive CpG island hypermethylation in CIMP, CIMP and IM shared similar patterns of differential methylation and gene set enrichment compared with LM. CONCLUSION Melanoma MethylClasses may provide clinical value in predicting 5-year death from melanoma among patients with primary melanoma independent of other clinicopathologic factors.