Accurate pathological diagnosis is crucial for optimal management of patients with cancer. For the approximately 100 known tumour types of the central nervous system, standardization of the diagnostic process has been shown to be particularly challenging-with substantial inter-observer variability in the histopathological diagnosis of many tumour types. Here we present a comprehensive approach for the DNA methylation-based classification of central nervous system tumours across all entities and age groups, and demonstrate its application in a routine diagnostic setting. We show that the availability of this method may have a substantial impact on diagnostic precision compared to standard methods, resulting in a change of diagnosis in up to 12% of prospective cases. For broader accessibility, we have designed a free online classifier tool, the use of which does not require any additional onsite data processing. Our results provide a blueprint for the generation of machine-learning-based tumour classifiers across other cancer entities, with the potential to fundamentally transform tumour pathology.

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.

Primitive neuroectodermal tumors of the central nervous system (CNS-PNETs) are highly aggressive, poorly differentiated embryonal tumors occurring predominantly in young children but also affecting adolescents and adults. Herein, we demonstrate that a significant proportion of institutionally diagnosed CNS-PNETs display molecular profiles indistinguishable from those of various other well-defined CNS tumor entities, facilitating diagnosis and appropriate therapy for patients with these tumors. From the remaining fraction of CNS-PNETs, we identify four new CNS tumor entities, each associated with a recurrent genetic alteration and distinct histopathological and clinical features. These new molecular entities, designated “CNS neuroblastoma with FOXR2 activation (CNS NB-FOXR2),” “CNS Ewing sarcoma family tumor with CIC alteration (CNS EFT-CIC),” “CNS high-grade neuroepithelial tumor with MN1 alteration (CNS HGNET-MN1),” and “CNS high-grade neuroepithelial tumor with BCOR alteration (CNS HGNET-BCOR),” will enable meaningful clinical trials and the development of therapeutic strategies for patients affected by poorly differentiated CNS tumors.

Smoothened (SMO) inhibitors recently entered clinical trials for sonic-hedgehog-driven medulloblastoma (SHH-MB). Clinical response is highly variable. To understand the mechanism(s) of primary resistance and identify pathways cooperating with aberrant SHH signaling, we sequenced and profiled a large cohort of SHH-MBs (n = 133). SHH pathway mutations involved PTCH1 (across all age groups), SUFU (infants, including germline), and SMO (adults). Children >3 years old harbored an excess of downstream MYCN and GLI2 amplifications and frequent TP53 mutations, often in the germline, all of which were rare in infants and adults. Functional assays in different SHH-MB xenograft models demonstrated that SHH-MBs harboring a PTCH1 mutation were responsive to SMO inhibition, whereas tumors harboring an SUFU mutation or MYCN amplification were primarily resistant.

Medulloblastoma is the most common malignant brain tumor in children, but the cells from which it arises remain unclear. Here we examine the origin of medulloblastoma resulting from mutations in the Sonic hedgehog (Shh) pathway. We show that activation of Shh signaling in neuronal progenitors causes medulloblastoma by 3 months of age. Shh pathway activation in stem cells promotes stem cell proliferation but only causes tumors after commitment to—and expansion of—the neuronal lineage. Notably, tumors initiated in stem cells develop more rapidly than those initiated in progenitors, with all animals succumbing by 3–4 weeks. These studies suggest that medulloblastoma can be initiated in progenitors or stem cells but that Shh-induced tumorigenesis is associated with neuronal lineage commitment.

Whether the brain tumor medulloblastoma originates from stem cells or restricted progenitor cells is unclear. To investigate this, we activated oncogenic Hedgehog (Hh) signaling in multipotent and lineage-restricted central nervous system (CNS) progenitors. We observed that normal unipotent cerebellar granule neuron precursors (CGNPs) derive from hGFAP(+) and Olig2(+) rhombic lip progenitors. Hh activation in a spectrum of early- and late-stage CNS progenitors generated similar medulloblastomas, but not other brain cancers, indicating that acquisition of CGNP identity is essential for tumorigenesis. We show in human and mouse medulloblastoma that cells expressing the glia-associated markers Gfap and Olig2 are neoplastic and retain features of embryonic-type granule lineage progenitors. Thus, oncogenic Hh signaling promotes medulloblastoma from lineage-restricted granule cell progenitors.

Atypical teratoid/rhabdoid tumor (ATRT) is one of the most common brain tumors in infants. Although the prognosis of ATRT patients is poor, some patients respond favorably to current treatments, suggesting molecular inter-tumor heterogeneity. To investigate this further, we genetically and epigenetically analyzed 192 ATRTs. Three distinct molecular subgroups of ATRTs, associated with differences in demographics, tumor location, and type of SMARCB1 alterations, were identified. Whole-genome DNA and RNA sequencing found no recurrent mutations in addition to SMARCB1 that would explain the differences between subgroups. Whole-genome bisulfite sequencing and H3K27Ac chromatin-immunoprecipitation sequencing of primary tumors, however, revealed clear differences, leading to the identification of subgroup-specific regulatory networks and potential therapeutic targets.

Purpose Reports detailing the prognostic impact of TP53 mutations in medulloblastoma offer conflicting conclusions. We resolve this issue through the inclusion of molecular subgroup profiles. Patients and Methods We determined subgroup affiliation, TP53 mutation status, and clinical outcome in a discovery cohort of 397 medulloblastomas. We subsequently validated our results on an independent cohort of 156 medulloblastomas. Results TP53 mutations are enriched in wingless (WNT; 16%) and sonic hedgehog (SHH; 21%) medulloblastomas and are virtually absent in subgroups 3 and 4 tumors (P < .001). Patients with SHH/TP53 mutant tumors are almost exclusively between ages 5 and 18 years, dramatically different from the general SHH distribution (P < .001). Children with SHH/TP53 mutant tumors harbor 56% germline TP53 mutations, which are not observed in children with WNT/TP53 mutant tumors. Five-year overall survival (OS; ± SE) was 41% ± 9% and 81% ± 5% for patients with SHH medulloblastomas with and without TP53 mutations, respectively (P < .001). Furthermore, TP53 mutations accounted for 72% of deaths in children older than 5 years with SHH medulloblastomas. In contrast, 5-year OS rates were 90% ± 9% and 97% ± 3% for patients with WNT tumors with and without TP53 mutations (P = .21). Multivariate analysis revealed that TP53 status was the most important risk factor for SHH medulloblastoma. Survival rates in the validation cohort mimicked the discovery results, revealing that poor survival of TP53 mutations is restricted to patients with SHH medulloblastomas (P = .012) and not WNT tumors. Conclusion Subgroup-specific analysis reconciles prior conflicting publications and confirms that TP53 mutations are enriched among SHH medulloblastomas, in which they portend poor outcome and account for a large proportion of treatment failures in these patients.

Background Recurrent medulloblastoma is a therapeutic challenge because it is almost always fatal. Studies have confirmed that medulloblastoma consists of at least four distinct subgroups. We sought to delineate subgroup-specific differences in medulloblastoma recurrence patterns. Methods We retrospectively identified a discovery cohort of all recurrent medulloblastomas at the Hospital for Sick Children (Toronto, ON, Canada) from 1994 to 2012 (cohort 1), and established molecular subgroups using a nanoString-based assay on formalin-fixed paraffin-embedded tissues or frozen tissue. The anatomical site of recurrence (local tumour bed or leptomeningeal metastasis), time to recurrence, and survival after recurrence were assessed in a subgroup-specific manner. Two independent, non-overlapping cohorts (cohort 2: samples from patients with recurrent medulloblastomas from 13 centres worldwide, obtained between 1991 and 2012; cohort 3: samples from patients with recurrent medulloblastoma obtained at the NN Burdenko Neurosurgical Institute [Moscow, Russia] between 1994 and 2011) were analysed to confirm and validate observations. When possible, molecular subgrouping was done on tissue obtained from both the initial surgery and at recurrence. Results Cohort 1 consisted of 30 patients with recurrent medulloblastomas; nine with local recurrences, and 21 with metastatic recurrences. Cohort 2 consisted of 77 patients and cohort 3 of 96 patients with recurrent medulloblastoma. Subgroup affiliation remained stable at recurrence in all 34 cases with available matched primary and recurrent pairs (five pairs from cohort 1 and 29 pairs from cohort 2 [15 SHH, five group 3, 14 group 4]). This finding was validated in 17 pairs from cohort 3. When analysed in a subgroup-specific manner, local recurrences in cohort 1 were more frequent in SHH tumours (eight of nine [89%]) and metastatic recurrences were more common in group 3 and group 4 tumours (17 of 20 [85%] with one WNT, p=0·0014, local vs metastatic recurrence, SHH vs group 3 vs group 4). The subgroup-specific location of recurrence was confirmed in cohort 2 (p=0·0013 for local vs metastatic recurrence, SHH vs group 3 vs group 4,), and cohort 3 (p<0·0001). Treatment with craniospinal irradiation at diagnosis was not significantly associated with the anatomical pattern of recurrence. Survival after recurrence was significantly longer in patients with group 4 tumours in cohort 1 (p=0·013) than with other subgroups, which was confirmed in cohort 2 (p=0·0075), but not cohort 3 (p=0·70). Interpretation Medulloblastoma does not change subgroup at the time of recurrence, reinforcing the stability of the four main medulloblastoma subgroups. Significant differences in the location and timing of recurrence across medulloblastoma subgroups have potential treatment ramifications. Specifically, intensified local (posterior fossa) therapy should be tested in the initial treatment of patients with SHH tumours. Refinement of therapy for patients with group 3 or group 4 tumours should focus on metastases. Funding Canadian Institutes of Health Research, National Institutes of Health, Pediatric Brain Tumor Foundation, Garron Family Chair in Childhood Cancer Research at The Hospital for Sick Children and The University of Toronto.

Abstract Sarcomas are malignant soft tissue and bone tumours affecting adults, adolescents and children. They represent a morphologically heterogeneous class of tumours and some entities lack defining histopathological features. Therefore, the diagnosis of sarcomas is burdened with a high inter-observer variability and misclassification rate. Here, we demonstrate classification of soft tissue and bone tumours using a machine learning classifier algorithm based on array-generated DNA methylation data. This sarcoma classifier is trained using a dataset of 1077 methylation profiles from comprehensively pre-characterized cases comprising 62 tumour methylation classes constituting a broad range of soft tissue and bone sarcoma subtypes across the entire age spectrum. The performance is validated in a cohort of 428 sarcomatous tumours, of which 322 cases were classified by the sarcoma classifier. Our results demonstrate the potential of the DNA methylation-based sarcoma classification for research and future diagnostic applications.