Somatic mutations have been extensively characterized in breast cancer, but the effects of these genetic alterations on the proteomic landscape remain poorly understood. Here we describe quantitative mass-spectrometry-based proteomic and phosphoproteomic analyses of 105 genomically annotated breast cancers, of which 77 provided high-quality data. Integrated analyses provided insights into the somatic cancer genome including the consequences of chromosomal loss, such as the 5q deletion characteristic of basal-like breast cancer. Interrogation of the 5q trans-effects against the Library of Integrated Network-based Cellular Signatures, connected loss of CETN3 and SKP1 to elevated expression of epidermal growth factor receptor (EGFR), and SKP1 loss also to increased SRC tyrosine kinase. Global proteomic data confirmed a stromal-enriched group of proteins in addition to basal and luminal clusters, and pathway analysis of the phosphoproteome identified a G-protein-coupled receptor cluster that was not readily identified at the mRNA level. In addition to ERBB2, other amplicon-associated highly phosphorylated kinases were identified, including CDK12, PAK1, PTK2, RIPK2 and TLK2. We demonstrate that proteogenomic analysis of breast cancer elucidates the functional consequences of somatic mutations, narrows candidate nominations for driver genes within large deletions and amplified regions, and identifies therapeutic targets. Quantitative mass-spectrometry-based proteomic and phosphoproteomic analyses of genomically annotated human breast cancer samples elucidates functional consequences of somatic mutations, narrows candidate nominations for driver genes within large deletions and amplified regions, and identifies potential therapeutic targets. This large-scale collaborative study describes quantitative-mass spectrometry-based proteomic and phosphoproteomic analyses of 105 breast cancer samples from The Cancer Genome Atlas (TCGA), representing the four principal mRNA-defined breast cancer intrinsic subtypes. The result is a high-quality proteomic resource for human breast cancer investigation, achieved using technologies and analytical approaches that illuminate the connections between genome and proteome. The data narrow candidate nominations for driver genes within large deletions and amplified regions, and identify potential therapeutic targets.

Platinum-based chemotherapy is standard-of-care first-line treatment for advanced urothelial carcinoma. However, progression-free survival and overall survival are limited by chemotherapy resistance.

Epithelial-mesenchymal transition (EMT) has been associated with metastatic spread and EGF receptor (EGFR) inhibitor resistance. We developed and validated a robust 76-gene EMT signature using gene expression profiles from four platforms using non-small cell lung carcinoma (NSCLC) cell lines and patients treated in the Biomarker-Integrated Approaches of Targeted Therapy for Lung Cancer Elimination (BATTLE) study.We conducted an integrated gene expression, proteomic, and drug response analysis using cell lines and tumors from patients with NSCLC. A 76-gene EMT signature was developed and validated using gene expression profiles from four microarray platforms of NSCLC cell lines and patients treated in the BATTLE study, and potential therapeutic targets associated with EMT were identified.Compared with epithelial cells, mesenchymal cells showed significantly greater resistance to EGFR and PI3K/Akt pathway inhibitors, independent of EGFR mutation status, but more sensitivity to certain chemotherapies. Mesenchymal cells also expressed increased levels of the receptor tyrosine kinase Axl and showed a trend toward greater sensitivity to the Axl inhibitor SGI-7079, whereas the combination of SGI-7079 with erlotinib reversed erlotinib resistance in mesenchymal lines expressing Axl and in a xenograft model of mesenchymal NSCLC. In patients with NSCLC, the EMT signature predicted 8-week disease control in patients receiving erlotinib but not other therapies.We have developed a robust EMT signature that predicts resistance to EGFR and PI3K/Akt inhibitors, highlights different patterns of drug responsiveness for epithelial and mesenchymal cells, and identifies Axl as a potential therapeutic target for overcoming EGFR inhibitor resistance associated with the mesenchymal phenotype.

Summary

 To provide a detailed analysis of the molecular components and underlying mechanisms associated with ovarian cancer, we performed a comprehensive mass-spectrometry-based proteomic characterization of 174 ovarian tumors previously analyzed by The Cancer Genome Atlas (TCGA), of which 169 were high-grade serous carcinomas (HGSCs). Integrating our proteomic measurements with the genomic data yielded a number of insights into disease, such as how different copy-number alternations influence the proteome, the proteins associated with chromosomal instability, the sets of signaling pathways that diverse genome rearrangements converge on, and the ones most associated with short overall survival. Specific protein acetylations associated with homologous recombination deficiency suggest a potential means for stratifying patients for therapy. In addition to providing a valuable resource, these findings provide a view of how the somatic genome drives the cancer proteome and associations between protein and post-translational modification levels and clinical outcomes in HGSC. 

Video Abstract

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.

Abstract The molecular underpinnings that drive the heterogeneity of KRAS-mutant lung adenocarcinoma are poorly characterized. We performed an integrative analysis of genomic, transcriptomic, and proteomic data from early-stage and chemorefractory lung adenocarcinoma and identified three robust subsets of KRAS-mutant lung adenocarcinoma dominated, respectively, by co-occurring genetic events in STK11/LKB1 (the KL subgroup), TP53 (KP), and CDKN2A/B inactivation coupled with low expression of the NKX2-1 (TTF1) transcription factor (KC). We further revealed biologically and therapeutically relevant differences between the subgroups. KC tumors frequently exhibited mucinous histology and suppressed mTORC1 signaling. KL tumors had high rates of KEAP1 mutational inactivation and expressed lower levels of immune markers, including PD-L1. KP tumors demonstrated higher levels of somatic mutations, inflammatory markers, immune checkpoint effector molecules, and improved relapse-free survival. Differences in drug sensitivity patterns were also observed; notably, KL cells showed increased vulnerability to HSP90-inhibitor therapy. This work provides evidence that co-occurring genomic alterations identify subgroups of KRAS-mutant lung adenocarcinoma with distinct biology and therapeutic vulnerabilities. Significance: Co-occurring genetic alterations in STK11/LKB1, TP53, and CDKN2A/B—the latter coupled with low TTF1 expression—define three major subgroups of KRAS-mutant lung adenocarcinoma with distinct biology, patterns of immune-system engagement, and therapeutic vulnerabilities. Cancer Discov; 5(8); 860–77. ©2015 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 783

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.

Abstract Motivation: Reference genome assemblies are subject to change and refinement from time to time. Generally, researchers need to convert the results that have been analyzed according to old assemblies to newer versions, or vice versa, to facilitate meta-analysis, direct comparison, data integration and visualization. Several useful conversion tools can convert genome interval files in browser extensible data or general feature format, but none have the functionality to convert files in sequence alignment map or BigWig format. This is a significant gap in computational genomics tools, as these formats are the ones most widely used for representing high-throughput sequencing data, such as RNA-seq, chromatin immunoprecipitation sequencing, DNA-seq, etc. Results: Here we developed CrossMap, a versatile and efficient tool for converting genome coordinates between assemblies. CrossMap supports most of the commonly used file formats, including BAM, sequence alignment map, Wiggle, BigWig, browser extensible data, general feature format, gene transfer format and variant call format. Availability and implementation: CrossMap is written in Python and C. Source code and a comprehensive user’s manual are freely available at: http://crossmap.sourceforge.net/. Contact: Kocher.JeanPierre@mayo.edu or wang.liguo@mayo.edu Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Importance

 In recurrent human papilloma virus (HPV)–driven cancer, immune checkpoint blockade with anti–programmed cell death 1 (PD-1) antibodies produces tumor regression in only a minority of patients. Therapeutic HPV vaccines have produced strong immune responses to HPV-16, but vaccination alone has been ineffective for invasive cancer. 

Objective

 To determine whether the efficacy of nivolumab, an anti–PD-1 immune checkpoint antibody, is amplified through treatment with ISA 101, a synthetic long-peptide HPV-16 vaccine inducing HPV-specific T cells, in patients with incurable HPV-16–positive cancer. 

Design, Setting, and Participants

 In this single-arm, single-center phase 2 clinical trial, 24 patients with incurable HPV-16–positive cancer were enrolled from December 23, 2015, to December 12, 2016. Duration of follow-up for censored patients was 12.2 months through August 31, 2017. 

Interventions

 The vaccine ISA101, 100 μg/peptide, was given subcutaneously on days 1, 22, and 50. Nivolumab, 3 mg/kg, was given intravenously every 2 weeks beginning day 8 for up to 1 year. 

Main Outcomes and Measures

 Assessment of efficacy reflected in the overall response rate (per Response Evaluation Criteria in Solid Tumors, version 1.1). 

Results

 Of the 24 patients (4 women and 20 men; 22 with oropharyngeal cancer; median age, 60 years [range, 36-73 years]), the overall response rate was 33% (8 patients; 90% CI, 19%-50%). Median duration of response was 10.3 months (95% CI, 10.3 months to inestimable). Five of 8 patients remain in response. Median progression-free survival was 2.7 months (95% CI, 2.5-9.4 months). Median overall survival was 17.5 months (95% CI, 17.5 months to inestimable). Grades 3 to 4 toxicity occurred in 2 patients (asymptomatic grade 3 transaminase level elevation in 1 patient and grade 4 lipase elevation in 1 patient), requiring discontinuation of nivolumab therapy. 

Conclusions and Relevance

 The overall response rate of 33% and median overall survival of 17.5 months is promising compared with PD-1 inhibition alone in similar patients. A randomized clinical trial to confirm the contribution of HPV-16 vaccination to tumoricidal effects of PD-1 inhibition is warranted for further study. 

Trial Registration

 ClinicalTrials.gov identifier:NCT02426892