Tumor molecular profiling is a fundamental component of precision oncology, enabling the identification of genomic alterations in genes and pathways that can be targeted therapeutically. The existence of recurrent targetable alterations across distinct histologically defined tumor types, coupled with an expanding portfolio of molecularly targeted therapies, demands flexible and comprehensive approaches to profile clinically relevant genes across the full spectrum of cancers. We established a large-scale, prospective clinical sequencing initiative using a comprehensive assay, MSK-IMPACT, through which we have compiled tumor and matched normal sequence data from a unique cohort of more than 10,000 patients with advanced cancer and available pathological and clinical annotations. Using these data, we identified clinically relevant somatic mutations, novel noncoding alterations, and mutational signatures that were shared by common and rare tumor types. Patients were enrolled on genomically matched clinical trials at a rate of 11%. To enable discovery of novel biomarkers and deeper investigation into rare alterations and tumor types, all results are publicly accessible.

Summary

 There is substantial heterogeneity among primary prostate cancers, evident in the spectrum of molecular abnormalities and its variable clinical course. As part of The Cancer Genome Atlas (TCGA), we present a comprehensive molecular analysis of 333 primary prostate carcinomas. Our results revealed a molecular taxonomy in which 74% of these tumors fell into one of seven subtypes defined by specific gene fusions (ERG, ETV1/4, and FLI1) or mutations (SPOP, FOXA1, and IDH1). Epigenetic profiles showed substantial heterogeneity, including an IDH1 mutant subset with a methylator phenotype. Androgen receptor (AR) activity varied widely and in a subtype-specific manner, with SPOP and FOXA1 mutant tumors having the highest levels of AR-induced transcripts. 25% of the prostate cancers had a presumed actionable lesion in the PI3K or MAPK signaling pathways, and DNA repair genes were inactivated in 19%. Our analysis reveals molecular heterogeneity among primary prostate cancers, as well as potentially actionable molecular defects.

With prospective clinical sequencing of tumors emerging as a mainstay in cancer care, there is an urgent need for a clinical support tool that distills the clinical implications associated with specific mutation events into a standardized and easily interpretable format. To this end, we developed OncoKB, an expert-guided precision oncology knowledge base.OncoKB annotates the biological and oncogenic effect and the prognostic and predictive significance of somatic molecular alterations. Potential treatment implications are stratified by the level of evidence that a specific molecular alteration is predictive of drug response based on US Food and Drug Administration (FDA) labeling, National Comprehensive Cancer Network (NCCN) guidelines, disease-focused expert group recommendations and the scientific literature.To date, over 3000 unique mutations, fusions, and copy number alterations in 418 cancer-associated genes have been annotated. To test the utility of OncoKB, we annotated all genomic events in 5983 primary tumor samples in 19 cancer types. Forty-one percent of samples harbored at least one potentially actionable alteration, of which 7.5% were predictive of clinical benefit from a standard treatment. OncoKB annotations are available through a public web resource (http://oncokb.org/) and are also incorporated into the cBioPortal for Cancer Genomics to facilitate the interpretation of genomic alterations by physicians and researchers.OncoKB, a comprehensive and curated precision oncology knowledge base, offers oncologists detailed, evidence-based information about individual somatic mutations and structural alterations present in patient tumors with the goal of supporting optimal treatment decisions.

Hypoactive BRAF mutants bind more tightly than wild type to the upstream regulator RAS, thus amplifying to amplify ERK signalling; tumours expressing these mutants require coexistent mechanisms for RAS activation to grow and are sensitive to their inhibition. Mutant alleles of the kinase BRAF have been identified in human tumours, some of which have activated catalytic functions, whereas others have impaired or absent kinase activity. Here Neal Rosen and colleagues have characterized the less-understood hypoactive BRAF mutants. They find that these mutants bind more tightly to the upstream regulator RAS in order to amplify signalling and require coexistent mechanisms for RAS activation in the tumour in order to function. The mechanistic action of these hypoactive BRAF mutants is different to that of the activated mutants and dictates their sensitivity to therapeutic inhibitors of the pathway. Elsewhere in this issue, David Santamaria and colleagues show that kinase-inactive BRAF mutants can initiate the development of lung adenocarcinoma in mice. Approximately 200 BRAF mutant alleles have been identified in human tumours. Activating BRAF mutants cause feedback inhibition of GTP-bound RAS, are RAS-independent and signal either as active monomers (class 1) or constitutively active dimers (class 2)1. Here we characterize a third class of BRAF mutants—those that have impaired kinase activity or are kinase-dead. These mutants are sensitive to ERK-mediated feedback and their activation of signalling is RAS-dependent. The mutants bind more tightly than wild-type BRAF to RAS–GTP, and their binding to and activation of wild-type CRAF is enhanced, leading to increased ERK signalling. The model suggests that dysregulation of signalling by these mutants in tumours requires coexistent mechanisms for maintaining RAS activation despite ERK-dependent feedback. Consistent with this hypothesis, melanomas with these class 3 BRAF mutations also harbour RAS mutations or NF1 deletions. By contrast, in lung and colorectal cancers with class 3 BRAF mutants, RAS is typically activated by receptor tyrosine kinase signalling. These tumours are sensitive to the inhibition of RAS activation by inhibitors of receptor tyrosine kinases. We have thus defined three distinct functional classes of BRAF mutants in human tumours. The mutants activate ERK signalling by different mechanisms that dictate their sensitivity to therapeutic inhibitors of the pathway.

Significance Prostate cancer is a major health burden with significant overtreatment because of difficulty segregating high- and low-risk disease. Discovery of biomarkers that stratify risk could have a broad public health impact but requires cohorts with comprehensive molecular and clinical follow-up. We characterize two independent prostate cancer cohorts with genomic and clinical data that include biochemical recurrence and metastasis. We demonstrate that copy number alteration (CNA) burden, a measure of the fraction of a tumor genome that is copy number altered, is prognostic for recurrence and metastasis. CNA burden is also associated with cancer recurrence in an intermediate risk population, and can be identified in biopsies. This work provides a clinicogenomic resource and highlights oncogenomics' potential to identify needed prognostic factors.

Abstract Most mutations in cancer are rare, which complicates the identification of therapeutically significant mutations and thus limits the clinical impact of genomic profiling in patients with cancer. Here, we analyzed 24,592 cancers including 10,336 prospectively sequenced patients with advanced disease to identify mutant residues arising more frequently than expected in the absence of selection. We identified 1,165 statistically significant hotspot mutations of which 80% arose in 1 in 1,000 or fewer patients. Of 55 recurrent in-frame indels, we validated that novel AKT1 duplications induced pathway hyperactivation and conferred AKT inhibitor sensitivity. Cancer genes exhibit different rates of hotspot discovery with increasing sample size, with few approaching saturation. Consequently, 26% of all hotspots in therapeutically actionable oncogenes were novel. Upon matching a subset of affected patients directly to molecularly targeted therapy, we observed radiographic and clinical responses. Population-scale mutant allele discovery illustrates how the identification of driver mutations in cancer is far from complete. Significance: Our systematic computational, experimental, and clinical analysis of hotspot mutations in approximately 25,000 human cancers demonstrates that the long right tail of biologically and therapeutically significant mutant alleles is still incompletely characterized. Sharing prospective genomic data will accelerate hotspot identification, thereby expanding the reach of precision oncology in patients with cancer. Cancer Discov; 8(2); 174–83. ©2017 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 127

The development of selective ubiquitin-specific protease-7 (USP7) inhibitors GNE-6640 and GNE-6776, which induce tumour cell death and reveal differential kinetics of Lys-48 and Lys-63-linked ubiquitin chain depolymerization by USP7. Deubiquitinating enzymes remove the small modifier protein ubiquitin from target substrates regulating their stability. One such enzyme, USP7, is a potential target for anti-cancer therapy, as its inhibition would result in the degradation of the ubiquitinated oncoprotein MDM2, leading to reactivation of the tumour suppressor protein p53. However, selective inhibitors of USP7 have remained elusive. Here, Ingrid Wertz and team develop two USP7 inhibitors, providing structural insights into the mode of action of these compounds and demonstrating their toxicity towards tumour cells. Elsewhere in this issue, David Komander and colleagues independently report the identification of two small molecules that inhibit USP7 with high affinity and specificity both in vitro and within cells, also demonstrating their ability to inhibit tumour growth. The ubiquitin system regulates essential cellular processes in eukaryotes. Ubiquitin is ligated to substrate proteins as monomers or chains and the topology of ubiquitin modifications regulates substrate interactions with specific proteins. Thus ubiquitination directs a variety of substrate fates including proteasomal degradation1. Deubiquitinase enzymes cleave ubiquitin from substrates and are implicated in disease2; for example, ubiquitin-specific protease-7 (USP7) regulates stability of the p53 tumour suppressor and other proteins critical for tumour cell survival3. However, developing selective deubiquitinase inhibitors has been challenging4 and no co-crystal structures have been solved with small-molecule inhibitors. Here, using nuclear magnetic resonance-based screening and structure-based design, we describe the development of selective USP7 inhibitors GNE-6640 and GNE-6776. These compounds induce tumour cell death and enhance cytotoxicity with chemotherapeutic agents and targeted compounds, including PIM kinase inhibitors. Structural studies reveal that GNE-6640 and GNE-6776 non-covalently target USP7 12 Å distant from the catalytic cysteine. The compounds attenuate ubiquitin binding and thus inhibit USP7 deubiquitinase activity. GNE-6640 and GNE-6776 interact with acidic residues that mediate hydrogen-bond interactions with the ubiquitin Lys48 side chain5, suggesting that USP7 preferentially interacts with and cleaves ubiquitin moieties that have free Lys48 side chains. We investigated this idea by engineering di-ubiquitin chains containing differential proximal and distal isotopic labels and measuring USP7 binding by nuclear magnetic resonance. This preferential binding protracted the depolymerization kinetics of Lys48-linked ubiquitin chains relative to Lys63-linked chains. In summary, engineering compounds that inhibit USP7 activity by attenuating ubiquitin binding suggests opportunities for developing other deubiquitinase inhibitors and may be a strategy more broadly applicable to inhibiting proteins that require ubiquitin binding for full functional activity.

Uveal melanomas are molecularly distinct from cutaneous melanomas and lack mutations in BRAF, NRAS, KIT, and NF1. Instead, they are characterized by activating mutations in GNAQ and GNA11, two highly homologous α subunits of Gαq/11 heterotrimeric G proteins, and in PLCB4 (phospholipase C β4), the downstream effector of Gαq signaling. We analyzed genomics data from 136 uveal melanoma samples and found a recurrent mutation in CYSLTR2 (cysteinyl leukotriene receptor 2) encoding a p.Leu129Gln substitution in 4 of 9 samples that lacked mutations in GNAQ, GNA11, and PLCB4 but in 0 of 127 samples that harbored mutations in these genes. The Leu129Gln CysLT2R mutant protein constitutively activates endogenous Gαq and is unresponsive to stimulation by leukotriene. Expression of Leu129Gln CysLT2R in melanocytes enforces expression of a melanocyte-lineage signature, drives phorbol ester-independent growth in vitro, and promotes tumorigenesis in vivo. Our findings implicate CYSLTR2 as a uveal melanoma oncogene and highlight the critical role of Gαq signaling in uveal melanoma pathogenesis.

Purpose AKT1 E17K mutations are oncogenic and occur in many cancers at a low prevalence. We performed a multihistology basket study of AZD5363, an ATP-competitive pan-AKT kinase inhibitor, to determine the preliminary activity of AKT inhibition in AKT-mutant cancers. Patients and Methods Fifty-eight patients with advanced solid tumors were treated. The primary end point was safety; secondary end points were progression-free survival (PFS) and response according to Response Evaluation Criteria in Solid Tumors (RECIST). Tumor biopsies and plasma cell-free DNA (cfDNA) were collected in the majority of patients to identify predictive biomarkers of response. Results In patients with AKT1 E17K-mutant tumors (n = 52) and a median of five lines of prior therapy, the median PFS was 5.5 months (95% CI, 2.9 to 6.9 months), 6.6 months (95% CI, 1.5 to 8.3 months), and 4.2 months (95% CI, 2.1 to 12.8 months) in patients with estrogen receptor-positive breast, gynecologic, and other solid tumors, respectively. In an exploratory biomarker analysis, imbalance of the AKT1 E17K-mutant allele, most frequently caused by copy-neutral loss-of-heterozygosity targeting the wild-type allele, was associated with longer PFS (hazard ratio [HR], 0.41; P = .04), as was the presence of coincident PI3K pathway hotspot mutations (HR, 0.21; P = .045). Persistent declines in AKT1 E17K in cfDNA were associated with improved PFS (HR, 0.18; P = .004) and response ( P = .025). Responses were not restricted to patients with detectable AKT1 E17K in pretreatment cfDNA. The most common grade ≥ 3 adverse events were hyperglycemia (24%), diarrhea (17%), and rash (15.5%). Conclusion This study provides the first clinical data that AKT1 E17K is a therapeutic target in human cancer. The genomic context of the AKT1 E17K mutation further conditioned response to AZD5363.