Abstract Medulloblastoma with extensive nodularity (MBEN) are cerebellar tumors with two histologically distinct compartments and varying disease course. In some children MBEN progresses, while others show spontaneous differentiation into more benign tumors. However, the mechanisms that control the tug-of-war between proliferation and differentiation are not well understood. Here, we dissected this process with a multi-modal single cell transcriptome analysis. We found that the internodular MBEN compartment comprised proliferating early cerebellar granular neuronal precursors (CGNP)-like tumor cells as well as stromal, vascular, and immune cells. In contrast, the nodular compartment consisted of postmitotic, neuronally differentiated MBEN cells. Both compartments were connected through an intermediate cell stage of actively migrating CGNPs. Furthermore, astrocyte-like tumor cells were identified that had branched off the main CGNP developmental trajectory. Cells with an astroglial phenotype were found in close proximity to migrating, late CGNP-like and postmitotic neuronally differentiated cells. Our study reveals how the spatial tissue organization is linked to the developmental trajectory of proliferating tumor cells through a migrating precursor stage into differentiated tumor cells with a more benign phenotype. We anticipate that our framework for integrating single nucleus RNA-sequencing and spatial transcriptomics will help to uncover intercompartmental interactions also in other cancers with varying histology.

Abstract Despite recent advances in understanding disease biology, treatment of Group 3/4 medulloblastoma remains a therapeutic challenge in pediatric neuro-oncology. Bulk-omics approaches have identified considerable intertumoral heterogeneity in Group 3/4 medulloblastoma, including the presence of clear single-gene oncogenic drivers in only a subset of cases, whereas in the majority of cases, large-scale copy-number aberrations prevail. However, intratumoral heterogeneity, the role of oncogene aberrations, and broad CNVs in tumor evolution and treatment resistance remain poorly understood. To dissect this interplay, we used single-cell technologies (snRNA-seq, snATAC-seq, spatial transcriptomics) on a cohort of Group 3/4 medulloblastoma with known alterations in the oncogenes MYC, MYCN , and PRDM6 . We show that large-scale chromosomal aberrations are early tumor initiating events, while the single-gene oncogenic events arise late and are typically sub-clonal, but MYC can become clonal upon disease progression to drive further tumor development and therapy resistance. We identify that the subclones are mostly interspersed across tumor tissue using spatial transcriptomics, but clear segregation is also present. Using a population genetics model, we estimate medulloblastoma initiation in the cerebellar unipolar brush cell-lineage starting from the first gestational trimester. Our findings demonstrate how single-cell technologies can be applied for early detection and diagnosis of this fatal disease.

Abstract Resolving the molecular mechanisms driving childhood brain tumors will uncover tumor-specific vulnerabilities and advance mechanism-of-action-based therapies. Here we describe a continuum of cell-states in Group 3/4 medulloblastomas, the most frequent and fatal cerebellar embryonal tumor subgroups, based on the differential activity of transcription-factor-driven gene networks derived using a comprehensive single-nucleus multi-omic medulloblastoma atlas. We show that Group 3/4 tumor diversity stems from enriched cell-states along four molecular identity axes: photoreceptor, MYC, precursor, and unipolar brush cell-like. We identified a potential role of PAX6 in driving dual Group 3- and Group 4-like tumor trajectories in subtype VII tumors. Our study demonstrates how oncogenic events together with lineage determinants drive Group 3/4 tumor identity away from their original source in the cerebellar unipolar brush cell lineage.

Medulloblastoma is a childhood brain tumor arising from the developing cerebellum. In Sonic Hedgehog (SHH)- subgroup medulloblastoma, aberrant activation of SHH signaling causes increased proliferation of granule neuron progenitors (GNPs) and predisposes these cells to tumorigenesis. A second, cooperating genetic hit is often required to push these hyperplastic cells to malignancy and confer mutation-specific characteristics associated with oncogenic signaling. Somatic loss-of-function mutations of the transcriptional co-repressor BCOR are recurrent and highly enriched in SHH-medulloblastoma. To investigate BCOR as a putative tumor suppressor, we used a germline genetically engineered mouse model to delete exons 9/10 of Bcor (BcorΔE9-10) in GNPs during development. This leads to reduced expression of C-terminally truncated BCOR (BCORΔE9-10). While BcorΔE9-10 alone did not promote tumorigenesis or affect GNP differentiation, BcorΔE9-10 combined with loss of the SHH- receptor gene Ptch1 resulted in highly penetrant medulloblastomas. In Ptch1+/-;BcorΔE9-10 tumors, the growth factor gene Igf2 was aberrantly upregulated, and ectopic Igf2 overexpression was sufficient to drive tumorigenesis in Ptch1+/- GNPs. BCOR directly regulates Igf2, likely through the PRC1.1 complex; the repressive histone mark H2AK119Ub is decreased at the Igf2 promoter in Ptch1+/-;BcorΔE9-10 tumors. Overall, our data suggests that BCOR-PRC1.1 disruption leads to Igf2 overexpression, which transforms preneoplastic cells to malignant tumors.