Abstract Pan-cancer analyses that examine commonalities and differences among various cancer types have emerged as a powerful way to obtain novel insights into cancer biology. Here we present a comprehensive analysis of genetic alterations in a pan-cancer cohort including 961 tumours from children, adolescents, and young adults, comprising 24 distinct molecular types of cancer. Using a standardized workflow, we identified marked differences in terms of mutation frequency and significantly mutated genes in comparison to previously analysed adult cancers. Genetic alterations in 149 putative cancer driver genes separate the tumours into two classes: small mutation and structural/copy-number variant (correlating with germline variants). Structural variants, hyperdiploidy, and chromothripsis are linked to TP53 mutation status and mutational signatures. Our data suggest that 7–8% of the children in this cohort carry an unambiguous predisposing germline variant and that nearly 50% of paediatric neoplasms harbour a potentially druggable event, which is highly relevant for the design of future clinical trials.

INTRODUCTION Bone marrow-derived macrophages (BMM) are primary macrophage cells, derived from bone marrow cells in vitro in the presence of growth factors. Macrophage colony-stimulating factor (M-CSF) is a lineage-specific growth factor that is responsible for the proliferation and differentiation of committed myeloid progenitors into cells of the macrophage/monocyte lineage. Mice lacking functional M-CSF are deficient in macrophages and osteoclasts and suffer from osteopetrosis. In this protocol, bone marrow cells are grown in culture dishes in the presence of M-CSF, which is secreted by L929 cells and is used in the form of L929-conditioned medium. Under these conditions, the bone marrow monocyte/macrophage progenitors will proliferate and differentiate into a homogenous population of mature BMMs. The efficiency of the differentiation is assessed using fluorescence-activated cell sorting (FACS) analysis of Mac-1 and 4/80 surface antigen expression. Once differentiated, the BMMs are suitable for numerous types of experimental manipulations, including morphological, gene expression, and physiological studies. For example, phagocytic cells such as macrophages have a unique ability to ingest microbes. We describe a test for the phagocytic efficiency of BMMs by exposing them to fluorescently labeled yeast zymosan bioparticles. Also, a method to deliver DNA or small interfering RNAs (siRNAs) into these hard-to-transfect cells is described. Finally, the proliferation of the BMMs is assayed using carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE), a fluorescein derivative that partitions equally between daughter cells after cell division.

Current therapies for medulloblastoma, a highly malignant childhood brain tumour, impose debilitating effects on the developing child, and highlight the need for molecularly targeted treatments with reduced toxicity. Previous studies have been unable to identify the full spectrum of driver genes and molecular processes that operate in medulloblastoma subgroups. Here we analyse the somatic landscape across 491 sequenced medulloblastoma samples and the molecular heterogeneity among 1,256 epigenetically analysed cases, and identify subgroup-specific driver alterations that include previously undiscovered actionable targets. Driver mutations were confidently assigned to most patients belonging to Group 3 and Group 4 medulloblastoma subgroups, greatly enhancing previous knowledge. New molecular subtypes were differentially enriched for specific driver events, including hotspot in-frame insertions that target KBTBD4 and ‘enhancer hijacking’ events that activate PRDM6. Thus, the application of integrative genomics to an extensive cohort of clinical samples derived from a single childhood cancer entity revealed a series of cancer genes and biologically relevant subtype diversity that represent attractive therapeutic targets for the treatment of patients with medulloblastoma. Genomic analysis of 491 medulloblastoma samples, including methylation profiling of 1,256 cases, effectively assigns candidate drivers to most tumours across all molecular subgroups. Medulloblastomas are highly malignant brain tumours that develop during childhood. Paul Northcott and colleagues analysed the whole-genome sequences of 491 medulloblastomas in order to characterize the genomic landscape across tumours and identify new drivers and mutational signatures. Their integrative genomic analyses, including methylation profiling of 1,256 medulloblastomas, identifies subgroup-specific driver mutations and suggests additional tumour subtypes. The authors assign driver mutations to a high proportion of the less well characterized Group 3 and Group 4, which together contribute to more than 60% of all medulloblastomas.

Medulloblastoma is an aggressively growing tumour, arising in the cerebellum or medulla/brain stem. It is the most common malignant brain tumour in children, and shows tremendous biological and clinical heterogeneity. Despite recent treatment advances, approximately 40% of children experience tumour recurrence, and 30% will die from their disease. Those who survive often have a significantly reduced quality of life. Four tumour subgroups with distinct clinical, biological and genetic profiles are currently identified. WNT tumours, showing activated wingless pathway signalling, carry a favourable prognosis under current treatment regimens. SHH tumours show hedgehog pathway activation, and have an intermediate prognosis. Group 3 and 4 tumours are molecularly less well characterized, and also present the greatest clinical challenges. The full repertoire of genetic events driving this distinction, however, remains unclear. Here we describe an integrative deep-sequencing analysis of 125 tumour-normal pairs, conducted as part of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) PedBrain Tumor Project. Tetraploidy was identified as a frequent early event in Group 3 and 4 tumours, and a positive correlation between patient age and mutation rate was observed. Several recurrent mutations were identified, both in known medulloblastoma-related genes (CTNNB1, PTCH1, MLL2, SMARCA4) and in genes not previously linked to this tumour (DDX3X, CTDNEP1, KDM6A, TBR1), often in subgroup-specific patterns. RNA sequencing confirmed these alterations, and revealed the expression of what are, to our knowledge, the first medulloblastoma fusion genes identified. Chromatin modifiers were frequently altered across all subgroups. These findings enhance our understanding of the genomic complexity and heterogeneity underlying medulloblastoma, and provide several potential targets for new therapeutics, especially for Group 3 and 4 patients.

Genomic rearrangements are thought to occur progressively during tumor development. Recent findings, however, suggest an alternative mechanism, involving massive chromosome rearrangements in a one-step catastrophic event termed chromothripsis. We report the whole-genome sequencing-based analysis of a Sonic-Hedgehog medulloblastoma (SHH-MB) brain tumor from a patient with a germline TP53 mutation (Li-Fraumeni syndrome), uncovering massive, complex chromosome rearrangements. Integrating TP53 status with microarray and deep sequencing-based DNA rearrangement data in additional patients reveals a striking association between TP53 mutation and chromothripsis in SHH-MBs. Analysis of additional tumor entities substantiates a link between TP53 mutation and chromothripsis, and indicates a context-specific role for p53 in catastrophic DNA rearrangements. Among these, we observed a strong association between somatic TP53 mutations and chromothripsis in acute myeloid leukemia. These findings connect p53 status and chromothripsis in specific tumor types, providing a genetic basis for understanding particularly aggressive subtypes of cancer.

Abstract Chromothripsis is a mutational phenomenon characterized by massive, clustered genomic rearrangements that occurs in cancer and other diseases. Recent studies in selected cancer types have suggested that chromothripsis may be more common than initially inferred from low-resolution copy-number data. Here, as part of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), we analyze patterns of chromothripsis across 2,658 tumors from 38 cancer types using whole-genome sequencing data. We find that chromothripsis events are pervasive across cancers, with a frequency of more than 50% in several cancer types. Whereas canonical chromothripsis profiles display oscillations between two copy-number states, a considerable fraction of events involve multiple chromosomes and additional structural alterations. In addition to non-homologous end joining, we detect signatures of replication-associated processes and templated insertions. Chromothripsis contributes to oncogene amplification and to inactivation of genes such as mismatch-repair-related genes. These findings show that chromothripsis is a major process that drives genome evolution in human cancer.

Extensive prior research focused on somatic copy-number alterations (SCNAs) affecting cancer genes, yet the extent to which recurrent SCNAs exert their influence through rearrangement of cis-regulatory elements (CREs) remains unclear. Here we present a framework for inferring cancer-related gene overexpression resulting from CRE reorganization (e.g., enhancer hijacking) by integrating SCNAs, gene expression data and information on topologically associating domains (TADs). Analysis of 7,416 cancer genomes uncovered several pan-cancer candidate genes, including IRS4, SMARCA1 and TERT. We demonstrate that IRS4 overexpression in lung cancer is associated with recurrent deletions in cis, and we present evidence supporting a tumor-promoting role. We additionally pursued cancer-type-specific analyses and uncovered IGF2 as a target for enhancer hijacking in colorectal cancer. Recurrent tandem duplications intersecting with a TAD boundary mediate de novo formation of a 3D contact domain comprising IGF2 and a lineage-specific super-enhancer, resulting in high-level gene activation. Our framework enables systematic inference of CRE rearrangements mediating dysregulation in cancer.

Structural variants (SVs), including small insertion and deletion variants (indels), are challenging to detect through standard alignment-based variant calling methods. Sequence assembly offers a powerful approach to identifying SVs, but is difficult to apply at scale genome-wide for SV detection due to its computational complexity and the difficulty of extracting SVs from assembly contigs. We describe SvABA, an efficient and accurate method for detecting SVs from short-read sequencing data using genome-wide local assembly with low memory and computing requirements. We evaluated SvABA's performance on the NA12878 human genome and in simulated and real cancer genomes. SvABA demonstrates superior sensitivity and specificity across a large spectrum of SVs and substantially improves detection performance for variants in the 20–300 bp range, compared with existing methods. SvABA also identifies complex somatic rearrangements with chains of short (<1000 bp) templated-sequence insertions copied from distant genomic regions. We applied SvABA to 344 cancer genomes from 11 cancer types and found that short templated-sequence insertions occur in ∼4% of all somatic rearrangements. Finally, we demonstrate that SvABA can identify sites of viral integration and cancer driver alterations containing medium-sized (50–300 bp) SVs.

Abstract About half of all cancers have somatic integrations of retrotransposons. Here, to characterize their role in oncogenesis, we analyzed the patterns and mechanisms of somatic retrotransposition in 2,954 cancer genomes from 38 histological cancer subtypes within the framework of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) project. We identified 19,166 somatically acquired retrotransposition events, which affected 35% of samples and spanned a range of event types. Long interspersed nuclear element (LINE-1; L1 hereafter) insertions emerged as the first most frequent type of somatic structural variation in esophageal adenocarcinoma, and the second most frequent in head-and-neck and colorectal cancers. Aberrant L1 integrations can delete megabase-scale regions of a chromosome, which sometimes leads to the removal of tumor-suppressor genes, and can induce complex translocations and large-scale duplications. Somatic retrotranspositions can also initiate breakage–fusion–bridge cycles, leading to high-level amplification of oncogenes. These observations illuminate a relevant role of 22 L1 retrotransposition in remodeling the cancer genome, with potential implications for the development of human tumors.

BackgroundMedulloblastoma is associated with rare hereditary cancer predisposition syndromes; however, consensus medulloblastoma predisposition genes have not been defined and screening guidelines for genetic counselling and testing for paediatric patients are not available. We aimed to assess and define these genes to provide evidence for future screening guidelines.MethodsIn this international, multicentre study, we analysed patients with medulloblastoma from retrospective cohorts (International Cancer Genome Consortium [ICGC] PedBrain, Medulloblastoma Advanced Genomics International Consortium [MAGIC], and the CEFALO series) and from prospective cohorts from four clinical studies (SJMB03, SJMB12, SJYC07, and I-HIT-MED). Whole-genome sequences and exome sequences from blood and tumour samples were analysed for rare damaging germline mutations in cancer predisposition genes. DNA methylation profiling was done to determine consensus molecular subgroups: WNT (MBWNT), SHH (MBSHH), group 3 (MBGroup3), and group 4 (MBGroup4). Medulloblastoma predisposition genes were predicted on the basis of rare variant burden tests against controls without a cancer diagnosis from the Exome Aggregation Consortium (ExAC). Previously defined somatic mutational signatures were used to further classify medulloblastoma genomes into two groups, a clock-like group (signatures 1 and 5) and a homologous recombination repair deficiency-like group (signatures 3 and 8), and chromothripsis was investigated using previously established criteria. Progression-free survival and overall survival were modelled for patients with a genetic predisposition to medulloblastoma.FindingsWe included a total of 1022 patients with medulloblastoma from the retrospective cohorts (n=673) and the four prospective studies (n=349), from whom blood samples (n=1022) and tumour samples (n=800) were analysed for germline mutations in 110 cancer predisposition genes. In our rare variant burden analysis, we compared these against 53 105 sequenced controls from ExAC and identified APC, BRCA2, PALB2, PTCH1, SUFU, and TP53 as consensus medulloblastoma predisposition genes according to our rare variant burden analysis and estimated that germline mutations accounted for 6% of medulloblastoma diagnoses in the retrospective cohort. The prevalence of genetic predispositions differed between molecular subgroups in the retrospective cohort and was highest for patients in the MBSHH subgroup (20% in the retrospective cohort). These estimates were replicated in the prospective clinical cohort (germline mutations accounted for 5% of medulloblastoma diagnoses, with the highest prevalence [14%] in the MBSHH subgroup). Patients with germline APC mutations developed MBWNT and accounted for most (five [71%] of seven) cases of MBWNT that had no somatic CTNNB1 exon 3 mutations. Patients with germline mutations in SUFU and PTCH1 mostly developed infant MBSHH. Germline TP53 mutations presented only in childhood patients in the MBSHH subgroup and explained more than half (eight [57%] of 14) of all chromothripsis events in this subgroup. Germline mutations in PALB2 and BRCA2 were observed across the MBSHH, MBGroup3, and MBGroup4 molecular subgroups and were associated with mutational signatures typical of homologous recombination repair deficiency. In patients with a genetic predisposition to medulloblastoma, 5-year progression-free survival was 52% (95% CI 40–69) and 5-year overall survival was 65% (95% CI 52–81); these survival estimates differed significantly across patients with germline mutations in different medulloblastoma predisposition genes.InterpretationGenetic counselling and testing should be used as a standard-of-care procedure in patients with MBWNT and MBSHH because these patients have the highest prevalence of damaging germline mutations in known cancer predisposition genes. We propose criteria for routine genetic screening for patients with medulloblastoma based on clinical and molecular tumour characteristics.FundingGerman Cancer Aid; German Federal Ministry of Education and Research; German Childhood Cancer Foundation (Deutsche Kinderkrebsstiftung); European Research Council; National Institutes of Health; Canadian Institutes for Health Research; German Cancer Research Center; St Jude Comprehensive Cancer Center; American Lebanese Syrian Associated Charities; Swiss National Science Foundation; European Molecular Biology Organization; Cancer Research UK; Hertie Foundation; Alexander and Margaret Stewart Trust; V Foundation for Cancer Research; Sontag Foundation; Musicians Against Childhood Cancer; BC Cancer Foundation; Swedish Council for Health, Working Life and Welfare; Swedish Research Council; Swedish Cancer Society; the Swedish Radiation Protection Authority; Danish Strategic Research Council; Swiss Federal Office of Public Health; Swiss Research Foundation on Mobile Communication; Masaryk University; Ministry of Health of the Czech Republic; Research Council of Norway; Genome Canada; Genome BC; Terry Fox Research Institute; Ontario Institute for Cancer Research; Pediatric Oncology Group of Ontario; The Family of Kathleen Lorette and the Clark H Smith Brain Tumour Centre; Montreal Children's Hospital Foundation; The Hospital for Sick Children: Sonia and Arthur Labatt Brain Tumour Research Centre, Chief of Research Fund, Cancer Genetics Program, Garron Family Cancer Centre, MDT's Garron Family Endowment; BC Childhood Cancer Parents Association; Cure Search Foundation; Pediatric Brain Tumor Foundation; Brainchild; and the Government of Ontario.