We analysed primary breast cancers by genomic DNA copy number arrays, DNA methylation, exome sequencing, messenger RNA arrays, microRNA sequencing and reverse-phase protein arrays. Our ability to integrate information across platforms provided key insights into previously defined gene expression subtypes and demonstrated the existence of four main breast cancer classes when combining data from five platforms, each of which shows significant molecular heterogeneity. Somatic mutations in only three genes (TP53, PIK3CA and GATA3) occurred at >10% incidence across all breast cancers; however, there were numerous subtype-associated and novel gene mutations including the enrichment of specific mutations in GATA3, PIK3CA and MAP3K1 with the luminal A subtype. We identified two novel protein-expression-defined subgroups, possibly produced by stromal/microenvironmental elements, and integrated analyses identified specific signalling pathways dominant in each molecular subtype including a HER2/phosphorylated HER2/EGFR/phosphorylated EGFR signature within the HER2-enriched expression subtype. Comparison of basal-like breast tumours with high-grade serous ovarian tumours showed many molecular commonalities, indicating a related aetiology and similar therapeutic opportunities. The biological finding of the four main breast cancer subtypes caused by different subsets of genetic and epigenetic abnormalities raises the hypothesis that much of the clinically observable plasticity and heterogeneity occurs within, and not across, these major biological subtypes of breast cancer. The Cancer Genome Atlas Network describe their multifaceted analyses of primary breast cancers, shedding light on breast cancer heterogeneity; although only three genes (TP53, PIK3CA and GATA3) are mutated at a frequency greater than 10% across all breast cancers, numerous subtype-associated and novel mutations were identified. This Article from the Cancer Genome Atlas consortium describes a multifaceted analysis of primary breast cancers in 825 people. Exome sequencing, copy number variation, DNA methylation, messenger RNA arrays, microRNA sequencing and proteomic analyses were performed and integrated to shed light on breast-cancer heterogeneity. Just three genes — TP53, PIK3CA and GATA3 — are mutated at greater than 10% frequency across all breast cancers. Many subtype-associated and novel mutations were identified, as well as two breast-cancer subgroups with specific signalling-pathway signatures. The analyses also suggest that much of the clinically observable plasticity and heterogeneity occurs within, and not across, the major subtypes of breast cancer.

The reference human genome sequence set the stage for studies of genetic variation and its association with human disease, but epigenomic studies lack a similar reference. To address this need, the NIH Roadmap Epigenomics Consortium generated the largest collection so far of human epigenomes for primary cells and tissues. Here we describe the integrative analysis of 111 reference human epigenomes generated as part of the programme, profiled for histone modification patterns, DNA accessibility, DNA methylation and RNA expression. We establish global maps of regulatory elements, define regulatory modules of coordinated activity, and their likely activators and repressors. We show that disease- and trait-associated genetic variants are enriched in tissue-specific epigenomic marks, revealing biologically relevant cell types for diverse human traits, and providing a resource for interpreting the molecular basis of human disease. Our results demonstrate the central role of epigenomic information for understanding gene regulation, cellular differentiation and human disease.

Gastric cancer is a leading cause of cancer deaths, but analysis of its molecular and clinical characteristics has been complicated by histological and aetiological heterogeneity. Here we describe a comprehensive molecular evaluation of 295 primary gastric adenocarcinomas as part of The Cancer Genome Atlas (TCGA) project. We propose a molecular classification dividing gastric cancer into four subtypes: tumours positive for Epstein-Barr virus, which display recurrent PIK3CA mutations, extreme DNA hypermethylation, and amplification of JAK2, CD274 (also known as PD-L1) and PDCD1LG2 (also known as PD-L2); microsatellite unstable tumours, which show elevated mutation rates, including mutations of genes encoding targetable oncogenic signalling proteins; genomically stable tumours, which are enriched for the diffuse histological variant and mutations of RHOA or fusions involving RHO-family GTPase-activating proteins; and tumours with chromosomal instability, which show marked aneuploidy and focal amplification of receptor tyrosine kinases. Identification of these subtypes provides a roadmap for patient stratification and trials of targeted therapies.

We performed an integrated genomic, transcriptomic and proteomic characterization of 373 endometrial carcinomas using array- and sequencing-based technologies. Uterine serous tumours and ∼25% of high-grade endometrioid tumours had extensive copy number alterations, few DNA methylation changes, low oestrogen receptor/progesterone receptor levels, and frequent TP53 mutations. Most endometrioid tumours had few copy number alterations or TP53 mutations, but frequent mutations in PTEN, CTNNB1, PIK3CA, ARID1A and KRAS and novel mutations in the SWI/SNF chromatin remodelling complex gene ARID5B. A subset of endometrioid tumours that we identified had a markedly increased transversion mutation frequency and newly identified hotspot mutations in POLE. Our results classified endometrial cancers into four categories: POLE ultramutated, microsatellite instability hypermutated, copy-number low, and copy-number high. Uterine serous carcinomas share genomic features with ovarian serous and basal-like breast carcinomas. We demonstrated that the genomic features of endometrial carcinomas permit a reclassification that may affect post-surgical adjuvant treatment for women with aggressive tumours. An integrative genomic analysis of several hundred endometrial carcinomas shows that a minority of tumour samples carry copy number alterations or TP53 mutations and many contain key cancer-related gene mutations, such as those involved in canonical pathways and chromatin remodelling; a reclassification of endometrial tumours into four distinct types is proposed, which may have an effect on patient treatment regimes. This paper from The Cancer Genome Atlas Research Network presents an in-depth genome-wide analysis of endometrial (uterine) carcinomas from more than 350 patients. Based on a series of genomic features including newly identified hotspot mutations in the DNA polymerase gene POLE, and novel mutations in the ARID5B DNA-binding protein, the authors propose a reclassification of endometrial tumours into four distinct types. This might have clinical relevance for post-surgical adjuvant treatment of women with aggressive tumours.

Many mutations that contribute to the pathogenesis of acute myeloid leukemia (AML) are undefined. The relationships between patterns of mutations and epigenetic phenotypes are not yet clear.

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.

Urothelial carcinoma of the bladder is a common malignancy that causes approximately 150,000 deaths per year worldwide. So far, no molecularly targeted agents have been approved for treatment of the disease. As part of The Cancer Genome Atlas project, we report here an integrated analysis of 131 urothelial carcinomas to provide a comprehensive landscape of molecular alterations. There were statistically significant recurrent mutations in 32 genes, including multiple genes involved in cell-cycle regulation, chromatin regulation, and kinase signalling pathways, as well as 9 genes not previously reported as significantly mutated in any cancer. RNA sequencing revealed four expression subtypes, two of which (papillary-like and basal/squamous-like) were also evident in microRNA sequencing and protein data. Whole-genome and RNA sequencing identified recurrent in-frame activating FGFR3–TACC3 fusions and expression or integration of several viruses (including HPV16) that are associated with gene inactivation. Our analyses identified potential therapeutic targets in 69% of the tumours, including 42% with targets in the phosphatidylinositol-3-OH kinase/AKT/mTOR pathway and 45% with targets (including ERBB2) in the RTK/MAPK pathway. Chromatin regulatory genes were more frequently mutated in urothelial carcinoma than in any other common cancer studied so far, indicating the future possibility of targeted therapy for chromatin abnormalities. This paper reports integrative molecular analyses of urothelial bladder carcinoma at the DNA, RNA, and protein levels performed as part of The Cancer Genome Atlas project; recurrent mutations were found in 32 genes, including those involved in cell-cycle regulation, chromatin regulation and kinase signalling pathways; chromatin regulatory genes were more frequently mutated in urothelial carcinoma than in any other common cancer studied so far. This study of 131 high-grade muscle-invasive urothelial bladder carcinomas, part of The Cancer Genome Atlas (TCGA) project, reports recurrent mutations in 32 genes, including those involved in cell-cycle regulation, chromatin regulation and kinase signalling pathways. Chromatin regulatory genes were more frequently mutated in urothelial carcinoma than in any common cancer studied to date. Recurrent in-frame activating FGFR3–TACC3 fusions and expression or integration of viruses associated with gene inactivation are also identified. Importantly, potential therapeutic targets are identified in 69% of the tumours.

Liver cancer has the second highest worldwide cancer mortality rate and has limited therapeutic options. We analyzed 363 hepatocellular carcinoma (HCC) cases by whole-exome sequencing and DNA copy number analyses, and we analyzed 196 HCC cases by DNA methylation, RNA, miRNA, and proteomic expression also. DNA sequencing and mutation analysis identified significantly mutated genes, including LZTR1, EEF1A1, SF3B1, and SMARCA4. Significant alterations by mutation or downregulation by hypermethylation in genes likely to result in HCC metabolic reprogramming (ALB, APOB, and CPS1) were observed. Integrative molecular HCC subtyping incorporating unsupervised clustering of five data platforms identified three subtypes, one of which was associated with poorer prognosis in three HCC cohorts. Integrated analyses enabled development of a p53 target gene expression signature correlating with poor survival. Potential therapeutic targets for which inhibitors exist include WNT signaling, MDM4, MET, VEGFA, MCL1, IDH1, TERT, and immune checkpoint proteins CTLA-4, PD-1, and PD-L1.

Ovarian clear-cell and endometrioid carcinomas may arise from endometriosis, but the molecular events involved in this transformation have not been described.We sequenced the whole transcriptomes of 18 ovarian clear-cell carcinomas and 1 ovarian clear-cell carcinoma cell line and found somatic mutations in ARID1A (the AT-rich interactive domain 1A [SWI-like] gene) in 6 of the samples. ARID1A encodes BAF250a, a key component of the SWI–SNF chromatin remodeling complex. We sequenced ARID1A in an additional 210 ovarian carcinomas and a second ovarian clear-cell carcinoma cell line and measured BAF250a expression by means of immunohistochemical analysis in an additional 455 ovarian carcinomas.ARID1A mutations were seen in 55 of 119 ovarian clear-cell carcinomas (46%), 10 of 33 endometrioid carcinomas (30%), and none of the 76 high-grade serous ovarian carcinomas. Seventeen carcinomas had two somatic mutations each. Loss of the BAF250a protein correlated strongly with the ovarian clear-cell carcinoma and endometrioid carcinoma subtypes and the presence of ARID1A mutations. In two patients, ARID1A mutations and loss of BAF250a expression were evident in the tumor and contiguous atypical endometriosis but not in distant endometriotic lesions.These data implicate ARID1A as a tumor-suppressor gene frequently disrupted in ovarian clear-cell and endometrioid carcinomas. Since ARID1A mutation and loss of BAF250a can be seen in the preneoplastic lesions, we speculate that this is an early event in the transformation of endometriosis into cancer. (Funded by the British Columbia Cancer Foundation and the Vancouver General Hospital–University of British Columbia Hospital Foundation.).

Abstract Magnetic resonance imaging (MRI) has transformed our understanding of the human brain through well-replicated mapping of abilities to specific structures (for example, lesion studies) and functions 1–3 (for example, task functional MRI (fMRI)). Mental health research and care have yet to realize similar advances from MRI. A primary challenge has been replicating associations between inter-individual differences in brain structure or function and complex cognitive or mental health phenotypes (brain-wide association studies (BWAS)). Such BWAS have typically relied on sample sizes appropriate for classical brain mapping 4 (the median neuroimaging study sample size is about 25), but potentially too small for capturing reproducible brain–behavioural phenotype associations 5,6 . Here we used three of the largest neuroimaging datasets currently available—with a total sample size of around 50,000 individuals—to quantify BWAS effect sizes and reproducibility as a function of sample size. BWAS associations were smaller than previously thought, resulting in statistically underpowered studies, inflated effect sizes and replication failures at typical sample sizes. As sample sizes grew into the thousands, replication rates began to improve and effect size inflation decreased. More robust BWAS effects were detected for functional MRI (versus structural), cognitive tests (versus mental health questionnaires) and multivariate methods (versus univariate). Smaller than expected brain–phenotype associations and variability across population subsamples can explain widespread BWAS replication failures. In contrast to non-BWAS approaches with larger effects (for example, lesions, interventions and within-person), BWAS reproducibility requires samples with thousands of individuals.