Primary triple-negative breast cancers are shown to vary widely and continuously in the degree of clonal evolution and mutational content at the time of diagnosis, with implications for future studies of the disease. Samuel Aparicio et al. provide an in-depth genomic view of primary triple-negative breast cancers (TNBC), which represent approximately 16% of all breast cancers. TNBC cells are deficient in the expression of receptors for oestrogen, progesterone and epidermal growth factor. Through a combination of transcriptomic data and copy-number variation, this study shows that TNBCs vary widely and continuously in the content of clonal genotypes at the time of diagnosis. This means that future studies will need to consider individual tumour clonal genotypes. Primary triple-negative breast cancers (TNBCs), a tumour type defined by lack of oestrogen receptor, progesterone receptor and ERBB2 gene amplification, represent approximately 16% of all breast cancers1. Here we show in 104 TNBC cases that at the time of diagnosis these cancers exhibit a wide and continuous spectrum of genomic evolution, with some having only a handful of coding somatic aberrations in a few pathways, whereas others contain hundreds of coding somatic mutations. High-throughput RNA sequencing (RNA-seq) revealed that only approximately 36% of mutations are expressed. Using deep re-sequencing measurements of allelic abundance for 2,414 somatic mutations, we determine for the first time—to our knowledge—in an epithelial tumour subtype, the relative abundance of clonal frequencies among cases representative of the population. We show that TNBCs vary widely in their clonal frequencies at the time of diagnosis, with the basal subtype of TNBC2,3 showing more variation than non-basal TNBC. Although p53 (also known as TP53), PIK3CA and PTEN somatic mutations seem to be clonally dominant compared to other genes, in some tumours their clonal frequencies are incompatible with founder status. Mutations in cytoskeletal, cell shape and motility proteins occurred at lower clonal frequencies, suggesting that they occurred later during tumour progression. Taken together, our results show that understanding the biology and therapeutic responses of patients with TNBC will require the determination of individual tumour clonal genotypes.

Marco Marra and colleagues identify somatic mutations in EZH2 in diffuse large B-cell lymphomas and follicular lymphomas. EZH2 is a histone methyltransferase that participates in trimethylation of H3 Lys27 (H3K27) as part of the PRC2 complex. The mutations alter a single tyrosine residue in the SET domain of EZH2 and reduce the ability of PRC2 to trimethylate H3K27 in vitro. Follicular lymphoma (FL) and the GCB subtype of diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) derive from germinal center B cells1. Targeted resequencing studies have revealed mutations in various genes encoding proteins in the NF-κB pathway2,3 that contribute to the activated B-cell (ABC) DLBCL subtype, but thus far few GCB-specific mutations have been identified4. Here we report recurrent somatic mutations affecting the polycomb-group oncogene5 EZH2, which encodes a histone methyltransferase responsible for trimethylating Lys27 of histone H3 (H3K27). After the recent discovery of mutations in KDM6A (UTX), which encodes the histone H3K27me3 demethylase UTX, in several cancer types6, EZH2 is the second histone methyltransferase gene found to be mutated in cancer. These mutations, which result in the replacement of a single tyrosine in the SET domain of the EZH2 protein (Tyr641), occur in 21.7% of GCB DLBCLs and 7.2% of FLs and are absent from ABC DLBCLs. Our data are consistent with the notion that EZH2 proteins with mutant Tyr641 have reduced enzymatic activity in vitro.

Follicular lymphoma (FL) and diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) are the two most common non-Hodgkin lymphomas (NHLs). Here we sequenced tumour and matched normal DNA from 13 DLBCL cases and one FL case to identify genes with mutations in B-cell NHL. We analysed RNA-seq data from these and another 113 NHLs to identify genes with candidate mutations, and then re-sequenced tumour and matched normal DNA from these cases to confirm 109 genes with multiple somatic mutations. Genes with roles in histone modification were frequent targets of somatic mutation. For example, 32% of DLBCL and 89% of FL cases had somatic mutations in MLL2, which encodes a histone methyltransferase, and 11.4% and 13.4% of DLBCL and FL cases, respectively, had mutations in MEF2B, a calcium-regulated gene that cooperates with CREBBP and EP300 in acetylating histones. Our analysis suggests a previously unappreciated disruption of chromatin biology in lymphomagenesis. Despite being a focus of research activity for many years, the mutations driving the two most common non-Hodgkin lymphomas — follicular lymphoma and diffuse large B-cell lymphoma — have remained cryptic. Whole genome sequencing, combined with transcriptome analysis and further resequencing of candidate genes in additional tumours, now show that histone methyltransferases and acetylases are frequently affected by mutations in these tumours. This study suggests a previously unappreciated importance of chromatin biology in lymphomagenesis.

John Maris, Matthew Meyerson, Marco Marra and colleagues report results of a large-scale sequencing study of neuroblastoma. They observe a low median exonic mutation frequency and strikingly few recurrently mutated genes in these tumors, highlighting challenges for developing targeted therapeutic strategies based on frequently mutated oncogenic drivers. Neuroblastoma is a malignancy of the developing sympathetic nervous system that often presents with widespread metastatic disease, resulting in survival rates of less than 50%. To determine the spectrum of somatic mutation in high-risk neuroblastoma, we studied 240 affected individuals (cases) using a combination of whole-exome, genome and transcriptome sequencing as part of the Therapeutically Applicable Research to Generate Effective Treatments (TARGET) initiative. Here we report a low median exonic mutation frequency of 0.60 per Mb (0.48 nonsilent) and notably few recurrently mutated genes in these tumors. Genes with significant somatic mutation frequencies included ALK (9.2% of cases), PTPN11 (2.9%), ATRX (2.5%, and an additional 7.1% had focal deletions), MYCN (1.7%, causing a recurrent p.Pro44Leu alteration) and NRAS (0.83%). Rare, potentially pathogenic germline variants were significantly enriched in ALK, CHEK2, PINK1 and BARD1. The relative paucity of recurrent somatic mutations in neuroblastoma challenges current therapeutic strategies that rely on frequently altered oncogenic drivers.

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.

Kinase inhibitors constitute an important new class of cancer drugs, whose selective efficacy is largely determined by underlying tumor cell genetics. We established a high-throughput platform to profile 500 cell lines derived from diverse epithelial cancers for sensitivity to 14 kinase inhibitors. Most inhibitors were ineffective against unselected cell lines but exhibited dramatic cell killing of small nonoverlapping subsets. Cells with exquisite sensitivity to EGFR, HER2, MET, or BRAF kinase inhibitors were marked by activating mutations or amplification of the drug target. Although most cell lines recapitulated known tumor-associated genotypes, the screen revealed low-frequency drug-sensitizing genotypes in tumor types not previously associated with drug susceptibility. Furthermore, comparing drugs thought to target the same kinase revealed striking differences, predictive of clinical efficacy. Genetically defined cancer subsets, irrespective of tissue type, predict response to kinase inhibitors, and provide an important preclinical model to guide early clinical applications of novel targeted inhibitors.

Significance A significant proportion of head and neck cancer is driven by human papillomavirus (HPV) infection, and the expression of viral oncogenes is involved in the development of these tumors. However, the role of HPV integration in primary tumors beyond increasing the expression of viral oncoproteins is not understood. Here, we describe how HPV integration impacts the host genome by amplification of oncogenes and disruption of tumor suppressors as well as driving inter- and intrachromosomal rearrangements. Tumors that do and do not have HPV integrants display distinct gene expression profiles and DNA methylation patterns, which further support the view that the mechanisms by which tumors with integrated and nonintegrated HPV arise are distinct.