Summary

 Diverse genetic, epigenetic, and developmental programs drive glioblastoma, an incurable and poorly understood tumor, but their precise characterization remains challenging. Here, we use an integrative approach spanning single-cell RNA-sequencing of 28 tumors, bulk genetic and expression analysis of 401 specimens from the The Cancer Genome Atlas (TCGA), functional approaches, and single-cell lineage tracing to derive a unified model of cellular states and genetic diversity in glioblastoma. We find that malignant cells in glioblastoma exist in four main cellular states that recapitulate distinct neural cell types, are influenced by the tumor microenvironment, and exhibit plasticity. The relative frequency of cells in each state varies between glioblastoma samples and is influenced by copy number amplifications of the CDK4, EGFR, and PDGFRA loci and by mutations in the NF1 locus, which each favor a defined state. Our work provides a blueprint for glioblastoma, integrating the malignant cell programs, their plasticity, and their modulation by genetic drivers.

A single sentence summarizing your paper (websum), which will appear online on the table of contents and in e-alerts, has been provided below. Please check this sentence for accuracy and appropriate emphasis. Itay Tirosh et al. use single-cell RNA-seq to show that human oligodendrogliomas contain cancer cells specialized into two types of glia, as well as a rare subpopulation of cells that are undifferentiated and display a gene expression program that is characteristic of neural stem cells. By coupling this analysis with functional assessment of oligodendroglioma cell lines, the authors provide support for a cancer stem cell model of tumour development in this particular context. Although human tumours are shaped by the genetic evolution of cancer cells, evidence also suggests that they display hierarchies related to developmental pathways and epigenetic programs in which cancer stem cells (CSCs) can drive tumour growth and give rise to differentiated progeny1. Yet, unbiased evidence for CSCs in solid human malignancies remains elusive. Here we profile 4,347 single cells from six IDH1 or IDH2 mutant human oligodendrogliomas by RNA sequencing (RNA-seq) and reconstruct their developmental programs from genome-wide expression signatures. We infer that most cancer cells are differentiated along two specialized glial programs, whereas a rare subpopulation of cells is undifferentiated and associated with a neural stem cell expression program. Cells with expression signatures for proliferation are highly enriched in this rare subpopulation, consistent with a model in which CSCs are primarily responsible for fuelling the growth of oligodendroglioma in humans. Analysis of copy number variation (CNV) shows that distinct CNV sub-clones within tumours display similar cellular hierarchies, suggesting that the architecture of oligodendroglioma is primarily dictated by developmental programs. Subclonal point mutation analysis supports a similar model, although a full phylogenetic tree would be required to definitively determine the effect of genetic evolution on the inferred hierarchies. Our single-cell analyses provide insight into the cellular architecture of oligodendrogliomas at single-cell resolution and support the cancer stem cell model, with substantial implications for disease management.

Tumor subclasses differ according to the genotypes and phenotypes of malignant cells as well as the composition of the tumor microenvironment (TME). We dissected these influences in isocitrate dehydrogenase (IDH)–mutant gliomas by combining 14,226 single-cell RNA sequencing (RNA-seq) profiles from 16 patient samples with bulk RNA-seq profiles from 165 patient samples. Differences in bulk profiles between IDH-mutant astrocytoma and oligodendroglioma can be primarily explained by distinct TME and signature genetic events, whereas both tumor types share similar developmental hierarchies and lineages of glial differentiation. As tumor grade increases, we find enhanced proliferation of malignant cells, larger pools of undifferentiated glioma cells, and an increase in macrophage over microglia expression programs in TME. Our work provides a unifying model for IDH-mutant gliomas and a general framework for dissecting the differences among human tumor subclasses.

The cellular composition of H3K27M gliomas Diffuse midline gliomas with histone H3 lysine27-to-methionine mutations (H3K27M-glioma) are an aggressive type of childhood cancer with few options for treatment. Filbin et al. used a single-cell sequencing approach to study the oncogenic programs, genetics, and cellular hierarchies of H3K27M-glioma. Tumors were mainly composed of cells resembling oligodendrocyte precursor cells, whereas differentiated malignant cells were a smaller fraction. In comparison with other gliomas, these cancers had distinct oncogenic programs and stem cell–like profiles that contributed to their stable tumor-propagating potential. The analysis also identified a lineage-specific marker that may be useful in developing therapies. Science , this issue p. 331

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) and other H3K27M-mutated diffuse midline gliomas (DMGs) are universally lethal paediatric tumours of the central nervous system1. We have previously shown that the disialoganglioside GD2 is highly expressed on H3K27M-mutated glioma cells and have demonstrated promising preclinical efficacy of GD2-directed chimeric antigen receptor (CAR) T cells2, providing the rationale for a first-in-human phase I clinical trial (NCT04196413). Because CAR T cell-induced brainstem inflammation can result in obstructive hydrocephalus, increased intracranial pressure and dangerous tissue shifts, neurocritical care precautions were incorporated. Here we present the clinical experience from the first four patients with H3K27M-mutated DIPG or spinal cord DMG treated with GD2-CAR T cells at dose level 1 (1 × 106 GD2-CAR T cells per kg administered intravenously). Patients who exhibited clinical benefit were eligible for subsequent GD2-CAR T cell infusions administered intracerebroventricularly3. Toxicity was largely related to the location of the tumour and was reversible with intensive supportive care. On-target, off-tumour toxicity was not observed. Three of four patients exhibited clinical and radiographic improvement. Pro-inflammatory cytokine levels were increased in the plasma and cerebrospinal fluid. Transcriptomic analyses of 65,598 single cells from CAR T cell products and cerebrospinal fluid elucidate heterogeneity in response between participants and administration routes. These early results underscore the promise of this therapeutic approach for patients with H3K27M-mutated DIPG or spinal cord DMG. A phase I dose-escalation trial of GD2-CAR T cells in children and young adults with diffuse midline gliomas to assess the feasibility of manufacturing, safety and tolerability, and to preliminarily assess efficacy.

Medulloblastoma is a malignant childhood cerebellar tumour type that comprises distinct molecular subgroups. Whereas genomic characteristics of these subgroups are well defined, the extent to which cellular diversity underlies their divergent biology and clinical behaviour remains largely unexplored. Here we used single-cell transcriptomics to investigate intra- and intertumoral heterogeneity in 25 medulloblastomas spanning all molecular subgroups. WNT, SHH and Group 3 tumours comprised subgroup-specific undifferentiated and differentiated neuronal-like malignant populations, whereas Group 4 tumours consisted exclusively of differentiated neuronal-like neoplastic cells. SHH tumours closely resembled granule neurons of varying differentiation states that correlated with patient age. Group 3 and Group 4 tumours exhibited a developmental trajectory from primitive progenitor-like to more mature neuronal-like cells, the relative proportions of which distinguished these subgroups. Cross-species transcriptomics defined distinct glutamatergic populations as putative cells-of-origin for SHH and Group 4 subtypes. Collectively, these data provide insights into the cellular and developmental states underlying subtype-specific medulloblastoma biology. Characterization of medulloblastoma tissues using single-cell transcriptomics shows that the different molecular subtypes consist of distinct developmental phenotypes.

Understanding the cellular origins of childhood brain tumors is key for discovering novel tumor-specific therapeutic targets. Previous strategies mapping cellular origins typically involved comparing human tumors to murine embryonal tissues 1,2 , a potentially imperfect approach due to spatio-temporal gene expression differences between species 3 . Here we use an unprecedented single-nucleus atlas of the developing human cerebellum (Sepp, Leiss, et al) and extensive bulk and single-cell transcriptome tumor data to map their cellular origins with focus on three most common pediatric brain tumors – pilocytic astrocytoma, ependymoma, and medulloblastoma. Using custom bioinformatics approaches, we postulate the astroglial and glial lineages as the origins for posterior fossa ependymomas and radiation-induced gliomas (secondary tumors after medulloblastoma treatment), respectively. Moreover, we confirm that SHH, Group3 and Group4 medulloblastomas stem from granule cell/unipolar brush cell lineages, whereas we propose pilocytic astrocytoma to originate from the oligodendrocyte lineage. We also identify genes shared between the cerebellar lineage of origin and corresponding tumors, and genes that are tumor specific; both gene sets represent promising therapeutic targets. As a common feature among most cerebellar tumors, we observed compositional heterogeneity in terms of similarity to normal cells, suggesting that tumors arise from or differentiate into multiple points along the cerebellar “lineage of origin”.

Abstract Background High-grade gliomas (HGG) in children have a devastating prognosis and occur in a remarkable spatiotemporal pattern. Diffuse midline gliomas (DMG), including diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPG), typically occur in mid-childhood, while cortical HGGs are more frequent in older children and adults. The mechanisms behind this pattern are not clear. Methods We used mouse organotypic slice cultures and glial cell cultures to test the impact of the microenvironment on human DIPG cells. Comparing the expression between brainstem and cortical microglia identified differentially expressed secreted proteins. The impact of some of these proteins on DIPGs was tested. Results DIPGs, pediatric HGGs of brainstem origin, survive and divide more in organotypic slice cultures originating in the brainstem as compared to the cortex. Moreover, brainstem microglia are better able to support tumors of brainstem origin. A comparison between the two microglial populations revealed differentially expressed genes. One such gene, Interleukin-33 (IL33), is highly expressed in the pons of young mice and its DIPG receptor is upregulated in this context. Consistent with this observation, the expression levels of IL33 and its receptor, IL1RL1, are higher in DIPG biopsies compared to low grade cortical gliomas. Furthermore, IL33 can enhance proliferation and clonability of HGGs of brainstem origin, while blocking IL33 in brainstem organotypic slice cultures reduced the proliferation of these tumor cells. Conclusions Crosstalk between DIPGs and the brainstem microenvironment, in particular microglia, through IL33 and other secreted factors, modulates spatiotemporal patterning of this HGG and could prove to be an important future therapeutic target. Key Points DIPGs divide more in the brainstem environment compared to the cortex. IL33 expression in brainstem and brainstem microglia is higher than in the cortex of young mice. IL33 propagates DIPG tumorigenesis, and its inhibition decreases DIPG proliferation. Importance of the Study Pediatric gliomas can arise in the supratentorial cerebral cortex with a median diagnosis age of 13 years, while diffuse midline gliomas (DMGs), present a median diagnosis age of 7 years, and appear most frequently in the pons. DMGs have a devastating prognosis and are currently untreatable. We tested the contribution of the brainstem microenvironment to the observed spatiotemporal pattern of pediatric HGGs. Our results support a model in which the brainstem microenvironment, particularly microglia, offers more supportive conditions for DIPG cells. By using the differences in gene expression between brainstem and cortical microglia we were able to identify factors that may contribute to the DIPG preference toward the brainstem. In this study we focused on the factor IL33, and provided evidence to support its contribution to the propagation of DIPGs in this specific anatomical location.

Summary Cancer cells are highly heterogeneous at the transcriptional level and in their epigenetic state. Methods to study epigenetic heterogeneity are limited in throughput and information obtained per cell. Here, we adapted Cytometry by Time of Flight (CyTOF) to analyze a wide panel of histone modifications in primary tumor-derived lines of Diffused Intrinsic Pontine Glioma (DIPG). DIPG is a lethal glioma, driven by histone H3 lysine 27 mutation (H3-K27M). We identified two epigenetically distinct subpopulations in DIGP, reflecting inherent heterogeneity in expression of the mutant histone. These two subpopulations are robust across tumor lines derived from different patients and show differential proliferation capacity and expression of stem-cell and differentiation markers. Moreover, we demonstrate the use of this high-dimensional data to elucidate potential interactions between histone modifications and epigenetic alterations during the cell-cycle. Our work establishes new concepts for the analysis of epigenetic heterogeneity in cancer that could be applied to diverse biological systems.

Abstract Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) is a highly aggressive brain tumor with rare survival beyond two years. This poor prognosis is largely due to the tumor’s highly infiltrative and invasive nature. Previous reports demonstrate upregulation of the transcription factor ID1 with H3K27M and ACVR1 mutations, but this has not been confirmed in human tumors or therapeutically targeted. We developed an in utero electroporation (IUE) murine H3K27M-driven tumor model, which demonstrates increased ID1 expression in H3K27M- and ACVR1 -mutated tumor cells. In human tumors, elevated ID1 expression is associated with H3K27M/ ACVR1 -mutation, brainstem location, and reduced survival. The ID1 promoter demonstrates a similar active epigenetic state in H3K27M tumor cells and murine prenatal hindbrain cells. In the developing human brain, ID1 is expressed highest in oligo/astrocyte-precursor cells (OAPCs). These ID1 + /SPARCL1 + cells share a transcriptional program with astrocyte-like (AC-like) DIPG cells, and demonstrate upregulation of gene sets involved with regulation of cell migration. Both genetic and pharmacologic [cannabidiol (CBD)] suppression of ID1 results in decreased DIPG cell invasion/migration in vitro and invasion/tumor growth in multiple in vivo models. CBD reduces proliferation through reactive oxygen species (ROS) production at low micromolar concentrations, which we found to be achievable in the murine brainstem. Further, pediatric high-grade glioma patients treated off-trial with CBD (n=15) demonstrate tumor ID1 reduction and improved overall survival compared to historical controls. Our study identifies that ID1 is upregulated in DIPG through reactivation of a developmental OAPC transcriptional state, and ID1-driven invasiveness of DIPG is therapeutically targetable with CBD. One Sentence Summary The transcription factor ID1 is upregulated in a subset of DIPG tumor cells, and ID1-driven invasiveness is therapeutically targetable with CBD.