A study of breast cancers shows that the number of somatic mutations in each varies markedly and is strongly correlated with age at diagnosis and cancer histological grade. An analysis of mutated genes associated with breast cancer sampled from 100 patients reveals a wide variation in the number of mutations between individuals, highlighting the substantial genetic diversity underlying this disease. The mutation number correlates with age of diagnosis and histological grade. Multiple mutational signatures are identified, as are driver mutations in novel cancer genes. All cancers carry somatic mutations in their genomes. A subset, known as driver mutations, confer clonal selective advantage on cancer cells and are causally implicated in oncogenesis1, and the remainder are passenger mutations. The driver mutations and mutational processes operative in breast cancer have not yet been comprehensively explored. Here we examine the genomes of 100 tumours for somatic copy number changes and mutations in the coding exons of protein-coding genes. The number of somatic mutations varied markedly between individual tumours. We found strong correlations between mutation number, age at which cancer was diagnosed and cancer histological grade, and observed multiple mutational signatures, including one present in about ten per cent of tumours characterized by numerous mutations of cytosine at TpC dinucleotides. Driver mutations were identified in several new cancer genes including AKT2, ARID1B, CASP8, CDKN1B, MAP3K1, MAP3K13, NCOR1, SMARCD1 and TBX3. Among the 100 tumours, we found driver mutations in at least 40 cancer genes and 73 different combinations of mutated cancer genes. The results highlight the substantial genetic diversity underlying this common disease.

Abstract Hepatocellular carcinoma (HCC) can have viral or non-viral causes 1–5 . Non-alcoholic steatohepatitis (NASH) is an important driver of HCC. Immunotherapy has been approved for treating HCC, but biomarker-based stratification of patients for optimal response to therapy is an unmet need 6,7 . Here we report the progressive accumulation of exhausted, unconventionally activated CD8 + PD1 + T cells in NASH-affected livers. In preclinical models of NASH-induced HCC, therapeutic immunotherapy targeted at programmed death-1 (PD1) expanded activated CD8 + PD1 + T cells within tumours but did not lead to tumour regression, which indicates that tumour immune surveillance was impaired. When given prophylactically, anti-PD1 treatment led to an increase in the incidence of NASH–HCC and in the number and size of tumour nodules, which correlated with increased hepatic CD8 + PD1 + CXCR6 + , TOX + , and TNF + T cells. The increase in HCC triggered by anti-PD1 treatment was prevented by depletion of CD8 + T cells or TNF neutralization, suggesting that CD8 + T cells help to induce NASH–HCC, rather than invigorating or executing immune surveillance. We found similar phenotypic and functional profiles in hepatic CD8 + PD1 + T cells from humans with NAFLD or NASH. A meta-analysis of three randomized phase III clinical trials that tested inhibitors of PDL1 (programmed death-ligand 1) or PD1 in more than 1,600 patients with advanced HCC revealed that immune therapy did not improve survival in patients with non-viral HCC. In two additional cohorts, patients with NASH-driven HCC who received anti-PD1 or anti-PDL1 treatment showed reduced overall survival compared to patients with other aetiologies. Collectively, these data show that non-viral HCC, and particularly NASH–HCC, might be less responsive to immunotherapy, probably owing to NASH-related aberrant T cell activation causing tissue damage that leads to impaired immune surveillance. Our data provide a rationale for stratification of patients with HCC according to underlying aetiology in studies of immunotherapy as a primary or adjuvant treatment.

Abstract Although mutations may represent attractive targets for immunotherapy, direct identification of mutated peptide ligands isolated from human leucocyte antigens (HLA) on the surface of native tumour tissue has so far not been successful. Using advanced mass spectrometry (MS) analysis, we survey the melanoma-associated immunopeptidome to a depth of 95,500 patient-presented peptides. We thereby discover a large spectrum of attractive target antigen candidates including cancer testis antigens and phosphopeptides. Most importantly, we identify peptide ligands presented on native tumour tissue samples harbouring somatic mutations. Four of eleven mutated ligands prove to be immunogenic by neoantigen-specific T-cell responses. Moreover, tumour-reactive T cells with specificity for selected neoantigens identified by MS are detected in the patient’s tumour and peripheral blood. We conclude that direct identification of mutated peptide ligands from primary tumour material by MS is possible and yields true neoepitopes with high relevance for immunotherapeutic strategies in cancer.

Induced pluripotent stem cells (iPSCs) have been generated from somatic cells by transgenic expression of Oct4 (Pou5f1), Sox2, Klf4 and Myc. A major difficulty in the application of this technology for regenerative medicine, however, is the delivery of reprogramming factors. Whereas retroviral transduction increases the risk of tumorigenicity, transient expression methods have considerably lower reprogramming efficiencies. Here we describe an efficient piggyBac transposon-based approach to generate integration-free iPSCs. Transposons carrying 2A peptide-linked reprogramming factors induced reprogramming of mouse embryonic fibroblasts with equivalent efficiencies to retroviral transduction. We removed transposons from these primary iPSCs by re-expressing transposase. Transgene-free iPSCs could be identified by negative selection. piggyBac excised without a footprint, leaving the iPSC genome without any genetic alteration. iPSCs fulfilled all criteria of pluripotency, such as pluripotency gene expression, teratoma formation and contribution to chimeras. piggyBac transposon-based reprogramming may be used to generate therapeutically applicable iPSCs.

Infection with Helicobacter pylori is associated with different human gastric diseases. Biochemical studies, in vitro adherence assays, and in vivo animal models revealed that epithelial attachment of H. pylori can be mediated by the blood-group antigen-binding adhesin (BabA) targeting human Lewis b surface epitopes. Studies with transgenic mice expressing the Lewis b epitope have shown that such attachment can alter disease outcome. In the current study, the presence of the babA2 gene encoding the adhesin was investigated in clinical isolates from a German population by using PCR and reverse transcription–PCR. A positive genotype was correlated to allelic variations in the genes encoding VacA and CagA and also to the prevalence of duodenal ulcer, distal gastric adenocarcinoma, mucosa-associated lymphoid tissue lymphoma, and antral gastritis. The presence of babA2 was significantly associated with duodenal ulcer ( P = 0.0002) and adenocarcinoma ( P = 0.033). In contrast, type 1 strains ( vacAs1- and cagA -positive) were associated with only duodenal ulcer ( P = 0.004) but not adenocarcinoma ( P = 0.235). Genotype presence of babA2 , vacAs1 , and cagA (“triple-positive” strains) showed a highly significant correlation to the prevalence of ulcer ( P = 0.000002) and adenocarcinoma ( P = 0.014) and discriminated significantly better between disease outcome than did the current type 1 classification. These results indicate that the babA2 gene is of high clinical relevance and would be a useful marker to identify patients who are at higher risk for specific H. pylori- related diseases.

The emergence and global spread of SARS-CoV-2 has resulted in the urgent need for an in-depth understanding of molecular functions of viral proteins and their interactions with the host proteome. Several individual omics studies have extended our knowledge of COVID-19 pathophysiology1–10. Integration of such datasets to obtain a holistic view of virus–host interactions and to define the pathogenic properties of SARS-CoV-2 is limited by the heterogeneity of the experimental systems. Here we report a concurrent multi-omics study of SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Using state-of-the-art proteomics, we profiled the interactomes of both viruses, as well as their influence on the transcriptome, proteome, ubiquitinome and phosphoproteome of a lung-derived human cell line. Projecting these data onto the global network of cellular interactions revealed crosstalk between the perturbations taking place upon infection with SARS-CoV-2 and SARS-CoV at different levels and enabled identification of distinct and common molecular mechanisms of these closely related coronaviruses. The TGF-β pathway, known for its involvement in tissue fibrosis, was specifically dysregulated by SARS-CoV-2 ORF8 and autophagy was specifically dysregulated by SARS-CoV-2 ORF3. The extensive dataset (available at https://covinet.innatelab.org ) highlights many hotspots that could be targeted by existing drugs and may be used to guide rational design of virus- and host-directed therapies, which we exemplify by identifying inhibitors of kinases and matrix metalloproteases with potent antiviral effects against SARS-CoV-2. Multi-omics profiling of effects of SARS-CoV-2 and SARS-CoV on A549, a lung-derived human cell line, produces a dataset enabling identification of common and virus-specific mechanisms of infection.

Relapsing C. difficile disease in humans is linked to a pathological imbalance within the intestinal microbiota, termed dysbiosis, which remains poorly understood. We show that mice infected with epidemic C. difficile (genotype 027/BI) develop highly contagious, chronic intestinal disease and persistent dysbiosis characterized by a distinct, simplified microbiota containing opportunistic pathogens and altered metabolite production. Chronic C. difficile 027/BI infection was refractory to vancomycin treatment leading to relapsing disease. In contrast, treatment of C. difficile 027/BI infected mice with feces from healthy mice rapidly restored a diverse, healthy microbiota and resolved C. difficile disease and contagiousness. We used this model to identify a simple mixture of six phylogenetically diverse intestinal bacteria, including novel species, which can re-establish a health-associated microbiota and clear C. difficile 027/BI infection from mice. Thus, targeting a dysbiotic microbiota with a defined mixture of phylogenetically diverse bacteria can trigger major shifts in the microbial community structure that displaces C. difficile and, as a result, resolves disease and contagiousness. Further, we demonstrate a rational approach to harness the therapeutic potential of health-associated microbial communities to treat C. difficile disease and potentially other forms of intestinal dysbiosis.

Clonal hemopoiesis driven by leukemia-associated gene mutations can occur without evidence of a blood disorder. To investigate this phenomenon, we interrogated 15 mutation hot spots in blood DNA from 4,219 individuals using ultra-deep sequencing. Using only the hot spots studied, we identified clonal hemopoiesis in 0.8% of individuals under 60, rising to 19.5% of those ≥90 years, thus predicting that clonal hemopoiesis is much more prevalent than previously realized. DNMT3A-R882 mutations were most common and, although their prevalence increased with age, were found in individuals as young as 25 years. By contrast, mutations affecting spliceosome genes SF3B1 and SRSF2, closely associated with the myelodysplastic syndromes, were identified only in those aged >70 years, with several individuals harboring more than one such mutation. This indicates that spliceosome gene mutations drive clonal expansion under selection pressures particular to the aging hemopoietic system and explains the high incidence of clonal disorders associated with these mutations in advanced old age.

The poor correlation of mutational landscapes with phenotypes limits our understanding of the pathogenesis and metastasis of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). Here we show that oncogenic dosage-variation has a critical role in PDAC biology and phenotypic diversification. We find an increase in gene dosage of mutant KRAS in human PDAC precursors, which drives both early tumorigenesis and metastasis and thus rationalizes early PDAC dissemination. To overcome the limitations posed to gene dosage studies by the stromal richness of PDAC, we have developed large cell culture resources of metastatic mouse PDAC. Integration of cell culture genomes, transcriptomes and tumour phenotypes with functional studies and human data reveals additional widespread effects of oncogenic dosage variation on cell morphology and plasticity, histopathology and clinical outcome, with the highest KrasMUT levels underlying aggressive undifferentiated phenotypes. We also identify alternative oncogenic gains (Myc, Yap1 or Nfkb2), which collaborate with heterozygous KrasMUT in driving tumorigenesis, but have lower metastatic potential. Mechanistically, different oncogenic gains and dosages evolve along distinct evolutionary routes, licensed by defined allelic states and/or combinations of hallmark tumour suppressor alterations (Cdkn2a, Trp53, Tgfβ-pathway). Thus, evolutionary constraints and contingencies direct oncogenic dosage gain and variation along defined routes to drive the early progression of PDAC and shape its downstream biology. Our study uncovers universal principles of Ras-driven oncogenesis that have potential relevance beyond pancreatic cancer. Oncogenic dosage variation along distinct evolutionary routes defines fundamental aspects of pancreatic cancer biology and phenotypic diversification. Despite the availability of hundreds of pancreatic cancer genomes, it has been difficult to associate specific mutation patterns with distinct biological features. To address this, Roland Rad and colleagues tracked genomic alterations during the development of pancreatic cancer, aiming to link mutations to heterogeneous phenotypes. Human and mouse studies reveal that different gene dosages of an activating KRAS mutation are critical determinants of pancreatic cancer biology, including early progression, metastasis, histopathology, cellular plasticity and clinical aggressiveness. Mutant KRAS is amplified through distinct evolutionary routes during tumorigenesis that are defined by prior alterations of specific tumour suppressors and oncogenes. This study sheds light on the mechanisms underlying the phenotypic heterogeneity of pancreatic cancer and may aid advances in diagnosis, prognosis and therapy.

Oncogenic Kras activates a plethora of signaling pathways, but our understanding of critical Ras effectors is still very limited. We show that cell-autonomous phosphoinositide 3-kinase (PI3K) and 3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1 (PDK1), but not Craf, are key effectors of oncogenic Kras in the pancreas, mediating cell plasticity, acinar-to-ductal metaplasia (ADM), and pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) formation. This contrasts with Kras-driven non-small cell lung cancer, where signaling via Craf, but not PDK1, is an essential tumor-initiating event. These in vivo genetic studies together with pharmacologic treatment studies in models of human ADM and PDAC demonstrate tissue-specific differences of oncogenic Kras signaling and define PI3K/PDK1 as a suitable target for therapeutic intervention specifically in PDAC.