The Cancer Genome Atlas profiled 279 head and neck squamous cell carcinomas (HNSCCs) to provide a comprehensive landscape of somatic genomic alterations. Here we show that human-papillomavirus-associated tumours are dominated by helical domain mutations of the oncogene PIK3CA, novel alterations involving loss of TRAF3, and amplification of the cell cycle gene E2F1. Smoking-related HNSCCs demonstrate near universal loss-of-function TP53 mutations and CDKN2A inactivation with frequent copy number alterations including amplification of 3q26/28 and 11q13/22. A subgroup of oral cavity tumours with favourable clinical outcomes displayed infrequent copy number alterations in conjunction with activating mutations of HRAS or PIK3CA, coupled with inactivating mutations of CASP8, NOTCH1 and TP53. Other distinct subgroups contained loss-of-function alterations of the chromatin modifier NSD1, WNT pathway genes AJUBA and FAT1, and activation of oxidative stress factor NFE2L2, mainly in laryngeal tumours. Therapeutic candidate alterations were identified in most HNSCCs. The Cancer Genome Atlas presents an integrative genome-wide analysis of genetic alterations in 279 head and neck squamous cell carcinomas (HNSCCs), which are classified by human papillomavirus (HPV) status; alterations in EGFR, FGFR, PIK3CA and cyclin-dependent kinases are shown to represent candidate targets for therapeutic intervention in most HNSCCs. Squamous cell head and neck cancer is one of the most common and deadly cancers. Despite initial responses to combinations of surgery, radiation and chemotherapy, approximately half of all tumours recur, usually within two years of initial diagnosis. Molecular markers and targeted therapies have had little impact on this disease to date. Here, The Cancer Genome Atlas team presents a detailed genome-wide overview of alterations and highlights critical genetic events of potential biological and clinical significance in head and neck squamous cell carcinomas (HNSCCs) with different human papillomavirus status. Mutational profiles reveal distinct subgroups of HNSCCs. Mutations in EGFR, FGFRs, PIK3CA and cyclin-dependent kinases represent candidate targets for therapeutic intervention in the majority of HNSCCs.

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.

Large-scale population analyses coupled with advances in technology have demonstrated that the human genome is more diverse than originally thought. To date, this diversity has largely been uncovered using short-read whole-genome sequencing. However, these short-read approaches fail to give a complete picture of a genome. They struggle to identify structural events, cannot access repetitive regions, and fail to resolve the human genome into haplotypes. Here, we describe an approach that retains long range information while maintaining the advantages of short reads. Starting from ∼1 ng of high molecular weight DNA, we produce barcoded short-read libraries. Novel informatic approaches allow for the barcoded short reads to be associated with their original long molecules producing a novel data type known as "Linked-Reads". This approach allows for simultaneous detection of small and large variants from a single library. In this manuscript, we show the advantages of Linked-Reads over standard short-read approaches for reference-based analysis. Linked-Reads allow mapping to 38 Mb of sequence not accessible to short reads, adding sequence in 423 difficult-to-sequence genes including disease-relevant genes STRC, SMN1, and SMN2 Both Linked-Read whole-genome and whole-exome sequencing identify complex structural variations, including balanced events and single exon deletions and duplications. Further, Linked-Reads extend the region of high-confidence calls by 68.9 Mb. The data presented here show that Linked-Reads provide a scalable approach for comprehensive genome analysis that is not possible using short reads alone.