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.

Optimum management of clinically localised prostate cancer presents unique challenges because of the highly variable and often indolent natural history of the disease. To predict disease aggressiveness, clinicians combine clinical variables to create prognostic models, but the models have limited accuracy. We assessed the prognostic value of a predefined cell cycle progression (CCP) score in two cohorts of patients with prostate cancer. We measured the expression of 31 genes involved in CCP with quantitative RT-PCR on RNA extracted from formalin-fixed paraffin-embedded tumour samples, and created a predefined score and assessed its usefulness in the prediction of disease outcome. The signature was assessed retrospectively in a cohort of patients from the USA who had undergone radical prostatectomy, and in a cohort of randomly selected men with clinically localised prostate cancer diagnosed by use of a transurethral resection of the prostate (TURP) in the UK who were managed conservatively. The primary endpoint was time to biochemical recurrence for the cohort of patients who had radical prostatectomy, and time to death from prostate cancer for the TURP cohort. After prostatectomy, the CCP score was useful for predicting biochemical recurrence in the univariate analysis (hazard ratio for a 1-unit change [doubling] in CCP 1·89; 95% CI 1·54–2·31; p=5·6×10−9) and the best multivariate analysis (1·77, 1·40–2·22; p=4·3×10−6). In the best predictive model (final multivariate analysis), the CCP score and prostate-specific antigen (PSA) concentration were the most important variables and were more significant than any other clinical variable. In the TURP cohort, the CCP score was the most important variable for prediction of time to death from prostate cancer in both univariate analysis (2·92, 2·38–3·57, p=6·1×10−22) and the final multivariate analysis (2·57, 1·93–3·43; p=8·2×10−11), and was stronger than all other prognostic factors, although PSA concentration also added useful information. Heterogeneity in the hazard ratio for the CCP score was not noted in any case for any clinical variables. The results of this study provide strong evidence that the CCP score is a robust prognostic marker, which, after additional validation, could have an essential role in determining the appropriate treatment for patients with prostate cancer. Cancer Research UK, Queen Mary University of London, Orchid Appeal, US National Institutes of Health, and Koch Foundation.

New predictive markers for managing prostate cancer are urgently required because of the highly variable natural history of this disease. At the time of diagnosis, Gleason score provides the gold standard for assessing the aggressiveness of prostate cancer. However, the recent discovery of TMPRSS2 fusions to the ERG gene in prostate cancer raises the possibility of using alterations at the ERG locus as additional mechanism-based prognostic indicators. Fluorescence in situ hybridization (FISH) assays were used to assess ERG gene status in a cohort of 445 prostate cancers from patients who had been conservatively managed. The FISH assays detected separation of 5′ (labelled green) and 3′ (labelled red) ERG sequences, which is a consequence of the TMPRSS2–ERG fusion, and additionally identify interstitial deletion of genomic sequences between the tandemly located TMPRSS2 and ERG gene sequences on chromosome 21. Cancers lacking ERG alterations exhibited favourable cause-specific survival (90% survival at 8 years). We identify a novel category of prostate cancers, characterized by duplication of the fusion of TMPRSS2 to ERG sequences together with interstitial deletion of sequences 5′ to ERG (called ‘2+Edel’), which by comparison exhibited extremely poor cause-specific survival (hazard ratio=6.10, 95% confidence ratio=3.33–11.15, P<0.001, 25% survival at 8 years). In multivariate analysis, ‘2+Edel’ provided significant prognostic information (P=0.003) in addition to that provided by Gleason score and prostate-specific antigen level at diagnosis. Other individual categories of ERG alteration were associated with intermediate or good prognosis. We conclude that determination of ERG gene status, including duplication of the fusion of TMPRSS2 to ERG sequences in 2+Edel, allows stratification of prostate cancer into distinct survival categories.

Recent sequencing studies have extensively explored the somatic alterations present in the nuclear genomes of cancers. Although mitochondria control energy metabolism and apoptosis, the origins and impact of cancer-associated mutations in mtDNA are unclear. In this study, we analyzed somatic alterations in mtDNA from 1675 tumors. We identified 1907 somatic substitutions, which exhibited dramatic replicative strand bias, predominantly C > T and A > G on the mitochondrial heavy strand. This strand-asymmetric signature differs from those found in nuclear cancer genomes but matches the inferred germline process shaping primate mtDNA sequence content. A number of mtDNA mutations showed considerable heterogeneity across tumor types. Missense mutations were selectively neutral and often gradually drifted towards homoplasmy over time. In contrast, mutations resulting in protein truncation undergo negative selection and were almost exclusively heteroplasmic. Our findings indicate that the endogenous mutational mechanism has far greater impact than any other external mutagens in mitochondria and is fundamentally linked to mtDNA replication.

Colin Cooper and colleagues report genome-wide sequences of multiple samples of multifocal cancer and morphologically normal tissue from the prostates of three men. They found high levels of mutations in morphologically normal tissue distant from the cancer, consistent with field effects. Genome-wide DNA sequencing was used to decrypt the phylogeny of multiple samples from distinct areas of cancer and morphologically normal tissue taken from the prostates of three men. Mutations were present at high levels in morphologically normal tissue distant from the cancer, reflecting clonal expansions, and the underlying mutational processes at work in morphologically normal tissue were also at work in cancer. Our observations demonstrate the existence of ongoing abnormal mutational processes, consistent with field effects, underlying carcinogenesis. This mechanism gives rise to extensive branching evolution and cancer clone mixing, as exemplified by the coexistence of multiple cancer lineages harboring distinct ERG fusions within a single cancer nodule. Subsets of mutations were shared either by morphologically normal and malignant tissues or between different ERG lineages, indicating earlier or separate clonal cell expansions. Our observations inform on the origin of multifocal disease and have implications for prostate cancer therapy in individual cases.

Introduction The human genome is peppered with mobile repetitive elements called long interspersed nuclear element–1 (L1) retrotransposons. Propagating through RNA and cDNA intermediates, these molecular parasites copy and insert themselves throughout the genome, with potentially disruptive effects on neighboring genes or regulatory sequences. In the germ line, unique sequence downstream of L1 elements can also be retrotransposed if transcription continues beyond the repeat, a process known as 3′ transduction. There has been growing interest in retrotransposition and 3′ transduction as a possible source of somatic mutations during tumorigenesis. Rationale To explore whether 3′ transductions are frequent in cancer, we developed a bioinformatic algorithm for identifying somatically acquired retrotranspositions in cancer genomes. We applied our algorithm to 290 cancer samples from 244 patients across 12 tumor types. The unique downstream sequence mobilized with 3′ transductions effectively fingerprints the L1 source element, providing insights into the activity of individual L1 loci across the genome. Results Across the 290 samples, we identified 2756 somatic L1 retrotranspositions. Tumors from 53% of patients had at least one such event, with colorectal and lung cancers being most frequently affected (93% and 75% of patients, respectively). Somatic 3′ transductions comprised 24% of events, half of which represented mobilizations of unique sequence alone, without any accompanying L1 sequence. Overall, 95% of 3′ transductions identified derived from only 72 germline L1 source elements, with as few as four loci accounting for 50% of events. In a given sample, the same source element could generate 50 or more somatic transductions, scattered extensively across the genome. About 5% of somatic transductions arose from L1 source elements that were themselves somatic retrotranspositions. In three of the cases in which we sequenced more than one sample from a patient’s tumor, we were able to place 3′ transductions on the phylogenetic tree. We found that the activity of individual source elements fluctuated during tumor evolution, with different subclones exhibiting much variability in which elements were “on” and which were “off.” The ability to identify the individual L1 source elements active in a given tumor enabled us to study the promoter methylation of those elements specifically. We found that 3′ transduction activity in a patient’s tumor was always associated with hypomethylation of that element. Overall, 2.3% of transductions distributed exons or entire genes to other sites in the genome, and many more mobilized deoxyribonuclease I (DNAse-I) hypersensitive sites or transcription factor binding sites identified by the ENCODE project. Occasionally, somatic L1 insertions inserted near coding sequence and redistributed these exons elsewhere in the genome. However, we found no general effects of retrotranspositions on transcription levels of genes at the insertion points and no evidence for aberrant RNA species resulting from somatically acquired transposable elements. Indeed, as with germline retrotranspositions, somatic insertions exhibited a strong enrichment in heterochromatic, gene-poor regions of the genome. Conclusion Somatic 3′ transduction occurs frequently in human tumors, and in some cases transduction events can scatter exons, genes, and regulatory elements widely across the genome. Dissemination of these sequences appears to be due to a small number of highly active L1 elements, whose activity can wax and wane during tumor evolution. The majority of the retrotransposition events are likely to be harmless “passenger” mutations.

The natural history of prostate cancer is highly variable and it is difficult to predict. We showed previously that a cell cycle progression (CCP) score was a robust predictor of outcome in a conservatively managed cohort diagnosed by transurethral resection of the prostate. A greater need is to predict outcome in patients diagnosed by needle biopsy. Total RNA was extracted from paraffin specimens. A CCP score was calculated from expression levels of 31 genes. Clinical variables consisted of centrally re-reviewed Gleason score, baseline prostate-specific antigen level, age, clinical stage, and extent of disease. The primary endpoint was death from prostate cancer. In univariate analysis (n=349), the hazard ratio (HR) for death from prostate cancer was 2.02 (95% CI (1.62, 2.53), P<10−9) for a one-unit increase in CCP score. The CCP score was only weakly correlated with standard prognostic factors and in a multivariate analysis, CCP score dominated (HR for one-unit increase=1.65, 95% CI (1.31, 2.09), P=3 × 10−5), with Gleason score (P=5 × 10−4) and prostate-specific antigen (PSA) (P=0.017) providing significant additional contributions. For conservatively managed patients, the CCP score is the strongest independent predictor of cancer death outcome yet described and may prove valuable in managing clinically localised prostate cancer.

Abstract Ionizing radiation is a potent carcinogen, inducing cancer through DNA damage. The signatures of mutations arising in human tissues following in vivo exposure to ionizing radiation have not been documented. Here, we searched for signatures of ionizing radiation in 12 radiation-associated second malignancies of different tumour types. Two signatures of somatic mutation characterize ionizing radiation exposure irrespective of tumour type. Compared with 319 radiation-naive tumours, radiation-associated tumours carry a median extra 201 deletions genome-wide, sized 1–100 base pairs often with microhomology at the junction. Unlike deletions of radiation-naive tumours, these show no variation in density across the genome or correlation with sequence context, replication timing or chromatin structure. Furthermore, we observe a significant increase in balanced inversions in radiation-associated tumours. Both small deletions and inversions generate driver mutations. Thus, ionizing radiation generates distinctive mutational signatures that explain its carcinogenic potential.

Abstract We present an overview of the National Science Foundation’s Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST), its instruments, and support facilities. The 4 m aperture DKIST provides the highest-resolution observations of the Sun ever achieved. The large aperture of DKIST combined with state-of-the-art instrumentation provide the sensitivity to measure the vector magnetic field in the chromosphere and in the faint corona, i.e. for the first time with DKIST we will be able to measure and study the most important free-energy source in the outer solar atmosphere – the coronal magnetic field. Over its operational lifetime DKIST will advance our knowledge of fundamental astronomical processes, including highly dynamic solar eruptions that are at the source of space-weather events that impact our technological society. Design and construction of DKIST took over two decades. DKIST implements a fast (f/2), off-axis Gregorian optical design. The maximum available field-of-view is 5 arcmin. A complex thermal-control system was implemented in order to remove at prime focus the majority of the 13 kW collected by the primary mirror and to keep optical surfaces and structures at ambient temperature, thus avoiding self-induced local seeing. A high-order adaptive-optics system with 1600 actuators corrects atmospheric seeing enabling diffraction limited imaging and spectroscopy. Five instruments, four of which are polarimeters, provide powerful diagnostic capability over a broad wavelength range covering the visible, near-infrared, and mid-infrared spectrum. New polarization-calibration strategies were developed to achieve the stringent polarization accuracy requirement of 5×10 −4 . Instruments can be combined and operated simultaneously in order to obtain a maximum of observational information. Observing time on DKIST is allocated through an open, merit-based proposal process. DKIST will be operated primarily in “service mode” and is expected to on average produce 3 PB of raw data per year. A newly developed data center located at the NSO Headquarters in Boulder will initially serve fully calibrated data to the international users community. Higher-level data products, such as physical parameters obtained from inversions of spectro-polarimetric data will be added as resources allow.

Men with germline breast cancer 1, early onset (BRCA1) or breast cancer 2, early onset (BRCA2) gene mutations have a higher risk of developing prostate cancer (PCa) than noncarriers. IMPACT (Identification of Men with a genetic predisposition to ProstAte Cancer: Targeted screening in BRCA1/2 mutation carriers and controls) is an international consortium of 62 centres in 20 countries evaluating the use of targeted PCa screening in men with BRCA1/2 mutations.