Cancers arise owing to mutations in a subset of genes that confer growth advantage. The availability of the human genome sequence led us to propose that systematic resequencing of cancer genomes for mutations would lead to the discovery of many additional cancer genes. Here we report more than 1,000 somatic mutations found in 274 megabases (Mb) of DNA corresponding to the coding exons of 518 protein kinase genes in 210 diverse human cancers. There was substantial variation in the number and pattern of mutations in individual cancers reflecting different exposures, DNA repair defects and cellular origins. Most somatic mutations are likely to be ‘passengers’ that do not contribute to oncogenesis. However, there was evidence for ‘driver’ mutations contributing to the development of the cancers studied in approximately 120 genes. Systematic sequencing of cancer genomes therefore reveals the evolutionary diversity of cancers and implicates a larger repertoire of cancer genes than previously anticipated. Over 350 cancer-causing genes have been identified by established techniques such as mapping, bioassay and by identifying plausible biological candidates. The availability of the human genome sequence now means that large-scale sequencing studies can uncover many more candidate cancer genes. Protein kinase enzymes are key to many regulatory processes and their dysfunction is a common trigger for tumours. So a sample of 518 kinases associated with more than 200 different cancers was chosen for a major sequencing effort. The study reveals more than 1, 000 previously unknown mutations linked to tumour formation — some as 'passengers' that don't contribute to cancer formation, but over 100 of them as 'driver' mutations that do contribute to disease development. As well as revealing cancer-causing defects, gene family studies like this can uncover new targets for molecular diagnostics and therapeutics. 518 protein kinase genes in the human genome have been sequenced in a large sample of tumours, providing a global view of the patterns of mutations found and the variations in the number and type of mutations between individual tumours.

We analysed whole-genome sequences of 560 breast cancers to advance understanding of the driver mutations conferring clonal advantage and the mutational processes generating somatic mutations. We found that 93 protein-coding cancer genes carried probable driver mutations. Some non-coding regions exhibited high mutation frequencies, but most have distinctive structural features probably causing elevated mutation rates and do not contain driver mutations. Mutational signature analysis was extended to genome rearrangements and revealed twelve base substitution and six rearrangement signatures. Three rearrangement signatures, characterized by tandem duplications or deletions, appear associated with defective homologous-recombination-based DNA repair: one with deficient BRCA1 function, another with deficient BRCA1 or BRCA2 function, the cause of the third is unknown. This analysis of all classes of somatic mutation across exons, introns and intergenic regions highlights the repertoire of cancer genes and mutational processes operating, and progresses towards a comprehensive account of the somatic genetic basis of breast cancer. Whole-genome sequencing of tumours from 560 breast cancer cases provides a comprehensive genome-wide view of recurrent somatic mutations and mutation frequencies across both protein coding and non-coding regions; several mutational signatures in these cancer genomes are associated with BRCA1 or BRCA2 function and defective homologous-recombination-based DNA repair. This study reports whole-genome sequencing of tumours and normal tissue from 560 breast cancer cases, providing a comprehensive genome-wide view of recurrent somatic mutations and mutation frequencies across both protein coding and non-coding regions. The authors analyse mutational signatures in these cancer genomes, including a new investigation of rearrangement mutational processes, and find several that are associated with BRCA1 or BRCA2 function and defective homologous-recombination-based DNA repair. They also find mutational signatures showing distinct DNA replication strand biases.

Somatic mutations in the Janus kinase 2 gene (JAK2) occur in many myeloproliferative neoplasms, but the molecular pathogenesis of myeloproliferative neoplasms with nonmutated JAK2 is obscure, and the diagnosis of these neoplasms remains a challenge.

The subclonal composition of human prostate tumours and their metastases has been mapped by whole-genome sequencing, thus establishing the evolutionary trees behind the development and spread of these cancers; an important observation was that metastases could be re-seeded multiple times, and spread from one tumour to another was frequently seen. Gunes Gundem et al. have mapped the subclonal composition of human prostate tumours and their metastases, thus establishing the evolutionary history behind the development and spread of these cancers. Importantly, they find that metastases could be re-seeded multiple times, and spread from one site of metastasis to another was frequently seen. This work sheds new light on the origin of the vast diversity of genetic and epigenetic alterations that can be seen within tumours and between primary tumours and metastases, and illustrates the clinical challenge of cancer therapy with targeted drugs. Cancers emerge from an ongoing Darwinian evolutionary process, often leading to multiple competing subclones within a single primary tumour1,2,3,4. This evolutionary process culminates in the formation of metastases, which is the cause of 90% of cancer-related deaths5. However, despite its clinical importance, little is known about the principles governing the dissemination of cancer cells to distant organs. Although the hypothesis that each metastasis originates from a single tumour cell is generally supported6,7,8, recent studies using mouse models of cancer demonstrated the existence of polyclonal seeding from and interclonal cooperation between multiple subclones9,10. Here we sought definitive evidence for the existence of polyclonal seeding in human malignancy and to establish the clonal relationship among different metastases in the context of androgen-deprived metastatic prostate cancer. Using whole-genome sequencing, we characterized multiple metastases arising from prostate tumours in ten patients. Integrated analyses of subclonal architecture revealed the patterns of metastatic spread in unprecedented detail. Metastasis-to-metastasis spread was found to be common, either through de novo monoclonal seeding of daughter metastases or, in five cases, through the transfer of multiple tumour clones between metastatic sites. Lesions affecting tumour suppressor genes usually occur as single events, whereas mutations in genes involved in androgen receptor signalling commonly involve multiple, convergent events in different metastases. Our results elucidate in detail the complex patterns of metastatic spread and further our understanding of the development of resistance to androgen-deprivation therapy in prostate cancer.

A large survey for somatic mutations in clear cell renal cell carcinomas, the most common form of adult kidney cancer, shows that in addition to the known inactivating mutations in the VHL gene, recurrent mutations occur in the NF2 gene, which encodes a tumour suppressor protein and in genes encoding the chromatin modifying enzymes SETD2, JARID1C and UTX. Clear cell renal carcinoma, the most common form of adult kidney cancer, is often characterized by the presence of inactivating mutations in the VHL gene. A large survey for somatic mutations now identifies inactivating mutations in two genes encoding enzymes involved in histone modification, highlighting the role of mutations in components of the chromatin modification machinery in human cancer. Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is the most common form of adult kidney cancer, characterized by the presence of inactivating mutations in the VHL gene in most cases1,2, and by infrequent somatic mutations in known cancer genes. To determine further the genetics of ccRCC, we have sequenced 101 cases through 3,544 protein-coding genes. Here we report the identification of inactivating mutations in two genes encoding enzymes involved in histone modification—SETD2, a histone H3 lysine 36 methyltransferase, and JARID1C (also known as KDM5C), a histone H3 lysine 4 demethylase—as well as mutations in the histone H3 lysine 27 demethylase, UTX (KMD6A), that we recently reported3. The results highlight the role of mutations in components of the chromatin modification machinery in human cancer. Furthermore, NF2 mutations were found in non-VHL mutated ccRCC, and several other probable cancer genes were identified. These results indicate that substantial genetic heterogeneity exists in a cancer type dominated by mutations in a single gene, and that systematic screens will be key to fully determining the somatic genetic architecture of cancer.

Cancer is driven by mutation. Worldwide, tobacco smoking is the principal lifestyle exposure that causes cancer, exerting carcinogenicity through >60 chemicals that bind and mutate DNA. Using massively parallel sequencing technology, we sequenced a small-cell lung cancer cell line, NCI-H209, to explore the mutational burden associated with tobacco smoking. A total of 22,910 somatic substitutions were identified, including 134 in coding exons. Multiple mutation signatures testify to the cocktail of carcinogens in tobacco smoke and their proclivities for particular bases and surrounding sequence context. Effects of transcription-coupled repair and a second, more general, expression-linked repair pathway were evident. We identified a tandem duplication that duplicates exons 3–8 of CHD7 in frame, and another two lines carrying PVT1–CHD7 fusion genes, indicating that CHD7 may be recurrently rearranged in this disease. These findings illustrate the potential for next-generation sequencing to provide unprecedented insights into mutational processes, cellular repair pathways and gene networks associated with cancer. The two cancer genome sequences presented in this issue demonstrate how next-generation sequencing technologies can inform us about mutational processes, repair pathways and gene networks associated with cancer development. First, the genome of a cell line derived from a bone marrow metastasis in a patient who had small-cell lung cancer. This cancer is typical of the type induced by smoking, and the sequence contains mutation signatures characteristic of some of the more than 60 carcinogens present in tobacco smoke. The second paper compares the whole genome sequence of a melanoma cell line to a lymphoblastoid cell line from the same individual. This, the first complete mutational analysis of a solid tumour, reveals a dominant mutational signature reflecting DNA damage due to exposure to ultraviolet light. Tobacco smoke contains more than sixty carcinogens that bind and mutate DNA. Here, massively parallel sequencing technology is used to sequence a small-cell lung cancer cell line, exploring the mutational burden associated with tobacco smoking. Multiple mutation signatures from the cocktail of carcinogens in tobacco smoke are found, as well as evidence of transcription-coupled repair and another, more general, expression-linked repair pathway.

Human cancers often carry many somatically acquired genomic rearrangements, some of which may be implicated in cancer development. However, conventional strategies for characterizing rearrangements are laborious and low-throughput and have low sensitivity or poor resolution. We used massively parallel sequencing to generate sequence reads from both ends of short DNA fragments derived from the genomes of two individuals with lung cancer. By investigating read pairs that did not align correctly with respect to each other on the reference human genome, we characterized 306 germline structural variants and 103 somatic rearrangements to the base-pair level of resolution. The patterns of germline and somatic rearrangement were markedly different. Many somatic rearrangements were from amplicons, although rearrangements outside these regions, notably including tandem duplications, were also observed. Some somatic rearrangements led to abnormal transcripts, including two from internal tandem duplications and two fusion transcripts created by interchromosomal rearrangements. Germline variants were predominantly mediated by retrotransposition, often involving AluY and LINE elements. The results demonstrate the feasibility of systematic, genome-wide characterization of rearrangements in complex human cancer genomes, raising the prospect of a new harvest of genes associated with cancer using this strategy.

Andrew Futreal and colleagues report inactivating somatic mutations in the histone lysine demethylase gene UTX in human cancers, including multiple myelomas, esophageal squamous carcinomas, renal clear cell carcinomas, acute and chronic myeloid leukemias, breast and colorectal cancers and glioblastomas, identifying UTX as a new tumor suppressor gene. Somatically acquired epigenetic changes are present in many cancers. Epigenetic regulation is maintained via post-translational modifications of core histones. Here, we describe inactivating somatic mutations in the histone lysine demethylase gene UTX, pointing to histone H3 lysine methylation deregulation in multiple tumor types. UTX reintroduction into cancer cells with inactivating UTX mutations resulted in slowing of proliferation and marked transcriptional changes. These data identify UTX as a new human cancer gene.

Tarpey et al. carry out a large-scale systematic sequencing of the majority of X-chromosome coding exons from 208 families with multiple individuals with mental retardation and a pattern of transmission compatible with X linkage in order to identify XLMR-causative mutations. They find several mutations that appear to be causative in loci already known to be involved in XLMR, as well as new data about those loci, and make inferences about the role of the different classes of variants in these diseases. Large-scale systematic resequencing has been proposed as the key future strategy for the discovery of rare, disease-causing sequence variants across the spectrum of human complex disease. We have sequenced the coding exons of the X chromosome in 208 families with X-linked mental retardation (XLMR), the largest direct screen for constitutional disease-causing mutations thus far reported. The screen has discovered nine genes implicated in XLMR, including SYP, ZNF711 and CASK reported here, confirming the power of this strategy. The study has, however, also highlighted issues confronting whole-genome sequencing screens, including the observation that loss of function of 1% or more of X-chromosome genes is compatible with apparently normal existence.