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.

It is now clear that medulloblastoma (MB), one of the most clinically challenging paediatric brain tumours, is not a single disease entity. Rather, it comprises four distinct molecular subgroups (Wnt pathway activated (WNT), Sonic hedgehog pathway activated (SHH), and the less well-characterised Group 3 and Group 4) [7, 15], which are highly divergent in terms of their patient demographics, underlying biology, and survival outcomes [4, 6]. These subgroups are becoming increasingly important, not only for refining the discovery of prognostic markers or therapeutic targets, but also for the design of prospective clinical trials. Patients with WNT subgroup tumours, for example, generally have a favourable prognosis, and may benefit from a reduction or omission of radiotherapy or chemotherapy to spare neurological side-effects or other toxicities, as is now being prospectively tested in upcoming trials both in North America and Europe. In contrast, patients with poor prognosis Group 3 tumours may benefit from intensification of up-front therapy. Furthermore, many new targeted therapeutics are likely to be efficacious in only one subgroup, such as smoothened inhibitors for SHH pathway-driven MB [1, 2]. A phase III clinical trial randomising SMO inhibition against standard of care in relapsed SHH-MB patients will start recruiting in mid-late 2013. A method for accurate and robust classification into tumour subgroups that is applicable to standard pathology specimens is therefore of key clinical relevance.

Genome-wide DNA methylation profiling has recently been developed into a tool that allows tumor classification in central nervous system tumors. Extracellular vesicles (EVs) are released by tumor cells and contain high molecular weight DNA, rendering EVs a potential biomarker source to identify tumor subgroups, stratify patients and monitor therapy by liquid biopsy. We investigated whether the DNA in glioblastoma cell-derived EVs reflects genome-wide tumor methylation and mutational profiles and allows noninvasive tumor subtype classification.DNA was isolated from EVs secreted by glioblastoma cells as well as from matching cultured cells and tumors. EV-DNA was localized and quantified by direct stochastic optical reconstruction microscopy. Methylation and copy number profiling was performed using 850k arrays. Mutations were identified by targeted gene panel sequencing. Proteins were differentially quantified by mass spectrometric proteomics.Genome-wide methylation profiling of glioblastoma-derived EVs correctly identified the methylation class of the parental cells and original tumors, including the MGMT promoter methylation status. Tumor-specific mutations and copy number variations (CNV) were detected in EV-DNA with high accuracy. Different EV isolation techniques did not affect the methylation profiling and CNV results. DNA was present inside EVs and on the EV surface. Proteome analysis did not allow specific tumor identification or classification but identified tumor-associated proteins that could potentially be useful for enriching tumor-derived circulating EVs from biofluids.This study provides proof of principle that EV-DNA reflects the genome-wide methylation, CNV, and mutational status of glioblastoma cells and enables their molecular classification.

ABSTRACT Meningiomas are the most frequent primary intracranial tumors. They can follow a wide clinical spectrum from benign to highly aggressive clinical course. No specific therapy exists for refractory cases or cases not amenable to resection and radiotherapy. Identification of risk of recurrence and malignant transformation for the individual patients is challenging. However, promising molecular markers and prognostic subgrouping by DNA methylation are emerging. Still, the biological underpinnings of these diagnostic subgroups are elusive, and, consequently, no novel therapeutic options arise thereof. Here we establish robust subgroups across the full landscape of meningiomas, consistent through DNA methylation, mutations, the transcriptomic, proteomic and phospho-proteomic level. Pronounced proliferative stress and DNA damage repair signals in malignant cells and in clusters exclusive to recurrent tumors are in line with their higher mitotic activity, but also provide an explanation for the accumulation of genomic instability in anaplastic meningiomas. Although homozygous deletion of CDKN2A/B is a diagnostic marker of high-grade meningioma, the expression of its gene product increased from low to non-deleted high-grade cases. Differences between subgroups in lymphocyte and myeloid cell infiltration, representing a majority of tumor mass in low-grade NF2 tumors, could be assigned to cluster-specific interaction with tumor cells. Activation to a more proinflammatory phenotype and decreased infiltration of myeloid cells in high-grade cases correlated with lower expression of CSF1 , located on chromosome arm 1p, whose deletion is known as prognostic marker, with no proposed mechanism before. Our results demonstrate a robust molecular subclassification of a tumor type across multiple layers, provide insight into heterogeneous growth dynamics despite shared pathognomonic mutations, and highlight immune infiltration modulation as a novel target for meningioma therapy.

Abstract Small cell lung cancer (SCLC) is a highly aggressive type of lung cancer, characterized by rapid proliferation, early metastatic spread, clinical recurrence and high rate of mortality. Using in vivo insertional mutagenesis screening in conjunction with cross-species genomic and transcriptomic validation, we identified a strong and consistent signal for neuronal, synaptic, and glutamatergic signaling gene sets in murine and human SCLC. We show that SCLC cells have the ability to develop intimate contacts with neuronal glutamatergic terminals in vitro , in autochthonous primary lung tumors and in brain-engrafted tumors. These contacts can develop into bona fide synapses, allowing SCLC cells to receive glutamatergic inputs. Fitting with a potential oncogenic role of neuron-SCLC interactions, we show that SCLC cells derive a robust proliferation advantage when co-cultured with neurons. Moreover, the repression of glutamate release and the stimulation of the inhibitory glutamate receptor GRM8 displayed therapeutic efficacy in an autochthonous mouse model of SCLC. Therefore, following malignant transformation, SCLC cells appear to hijack glutamatergic signaling to sustain tumor growth, thereby exposing a novel entry route for therapeutic intervention.

Summary Tumor adaptation or selection is thought to underlie therapy resistance of gliomas. To investigate the longitudinal epigenetic evolution of gliomas in response to therapeutic pressure, we performed an epigenomic analysis of 143 matched initial and recurrent patients with IDH-wildtype (IDHwt) and IDH-mutant (IDHmut) gliomas. IDHwt gliomas showed a longitudinally stable epigenome with relatively low levels of global methylation, whereas the epigenome of IDHmut gliomas showed initial high levels genome-wide of DNA methylation that was progressively reduced to levels similar to those of IDHwt tumors. By integrating DNA methylation and gene expression data, adaptive changes of putative master regulators of the cell cycle and of differentiation were seen in IDHmut recurrent tumors. Furthermore, relapses of IDHmut tumors were accompanied by histological progression which in turn influenced survival, as validated in an independent cohort. Finally, the initial cell composition of the tumor microenvironment differed between IDHwt and IDHmut tumors and changed differentially following treatment, suggesting increased neo-angiogenesis and T-cell infiltration upon treatment for IDHmut gliomas. Our study provides one of the largest cohorts of paired glioma samples profiled with epigenomics, transcriptomics and genomics; and our results demonstrate that the treatment of IDHmut gliomas reshapes the epigenome towards an IDHwt-like phenotype. Accordingly, the prevalent practice of early genotoxic treatment in this patient population may need to be revisited.

SUMMARY Energetic stress compels cells to evolve adaptive mechanisms to maintain homeostasis. Here, we report that the negative regulators of mRNA translation initiation eukaryotic initiation factor 4E binding proteins 1/2 (4EBP1/2) are essential to promote the survival of mammalian cells and budding yeast under glucose starvation. Functionally, 4EBP1/2 inhibit fatty acid synthesis upon energetic stress via repression of Acetyl-CoA Carboxylase Alpha ( ACACA ) mRNA translation, sparing NADPH, to maintain intracellular redox balance. This has important relevance in cancers, as we uncovered that oncogene-transformed cells and glioma cells exploit the 4EBP1/2 regulation of ACACA expression and redox balance to combat energetic stress, thereby supporting transformation and tumorigenicity in vitro and in vivo. Clinically, high EIF4EBP1 (encoding 4EBP1) expression is associated with poor outcomes in several cancer types, including glioma. Our data reveal that 4EBP1/2 are conserved mediators of the survival response to energetic stress which are exploited by cancer cells for metabolic adaptation.

Abstract The ROS proto-oncogene 1 ( ROS1 ) gene is rearranged in various cancers. The translated fusion protein presents an attractive therapeutic target, since specific inhibitors have been approved for several tumor types. In glioma, ROS1 fusions are frequent within infantile hemispheric glioma, and single case reports on occurrences in other glioma types exist. However, a comprehensive analysis spanning the full width of glioma types and subtypes is lacking. We here assessed the spectrum and distribution of ROS1 fusions by screening >20,000 glioma cases for typical chromosomal alterations, with subsequent RNA-sequencing for confirmation of candidate cases. ROS1 fusions were identified in 16 cases, from low grade pilocytic astrocytoma WHO grade 1 to glioblastoma, IDH wildtype WHO grade 4. Thus, despite being enriched in some tumor types, ROS1 fusions are not pathognomonic for specific glioma types and may consitute a relevant target in a variety of cases.

Abstract Ependymomas encompass a heterogeneous group of central nervous system (CNS) neoplasms that occur along the entire neuroaxis. In recent years, extensive (epi-)genomic profiling efforts have identified several molecular groups of ependymoma that are characterized by distinct molecular alterations and/or patterns. Based on unsupervised visualization of a large cohort of genome-wide DNA methylation data, we identified a highly distinct group of pediatric-type tumors (n = 40) forming a cluster separate from all established CNS tumor types, of which a high proportion were histopathologically diagnosed as ependymoma. RNA sequencing revealed recurrent fusions involving the pleomorphic adenoma gene-like 1 ( PLAGL1 ) gene in 19 of 20 of the samples analyzed, with the most common fusion being EWSR1:PLAGL1 (n = 13). Five tumors showed a PLAGL1:FOXO1 fusion and one a PLAGL1:EP300 fusion. High transcript levels of PLAGL1 were noted in these tumors, with concurrent overexpression of the imprinted genes H19 and IGF2 , which are regulated by PLAGL1. Histopathological review of cases with sufficient material (n = 16) demonstrated a broad morphological spectrum of largely ependymoma-like tumors. Immunohistochemically, tumors were GFAP-positive and OLIG2- and SOX10-negative. In 3/16 of the cases, a dot-like positivity for EMA was detected. Consistent with other fusion-positive ependymal groups, all tumors in our series were located in the supratentorial compartment. Median age of the patients at the time of diagnosis was 6.2 years. Analysis of time to progression or recurrence revealed survival times comparable to those of patients with ZFTA:RELA -fused ependymoma. In summary, our findings suggest the existence of a novel group of supratentorial ependymomas that are characterized by recurrent PLAGL1 fusions and enriched for pediatric patients.

ABSTRACT Background Neuroblastoma (NB) accounts for 15% of cancer-related deaths in childhood despite considerable therapeutic improvements. While several risk factors, including MYCN amplification and alterations in RAS and p53 pathway genes, have been defined in NB, the clinical outcome is very variable and difficult to predict. Since genes of the mTOR pathway are up-regulated in MYCN -amplified NB, we aimed to define the predictive value of the mTOR substrate-encoding gene eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein 1 ( EIF4EBP1 ) expression in NB patients. Methods Several independent NB patient cohorts with corresponding mRNA expression data were analyzed for EIF4EBP1 expression. An institutional NB cohort consisting of 69 prospectively collected tumors was employed to immunohistochemically analyze expression of EIF4EBP1 -encoded protein (4EBP1). In addition, we performed an in vitro luciferase reporter gene assay with an episomal EIF4EBP1 promoter and genetically modulated MYCN expression in NB cells. Findings EIF4EBP1 mRNA expression was positively correlated with MYCN expression and elevated in stage 4 and high-risk NB patients. High EIF4EBP1 mRNA expression was associated with reduced overall and event-free survival in the entire group of NB patients in three cohorts, as well as in stage 4 and high-risk patients. High levels of 4EBP1 were significantly associated with prognostically unfavorable NB histology. Functional analyses in vitro revealed that EIF4EBP1 expression is transcriptionally controlled by MYCN binding to the EIF4EBP1 promoter. Interpretation High EIF4EBP1 expression is associated with poor prognosis in NB patients and may serve to stratify patients with high-risk NB. Funding G.L. was supported by funding from the Elterninitiative Düsseldorf e.V., the Research Commission of the Medical Faculty of Heinrich Heine University, the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Grant LE 3751/2-1), and the German Cancer Aid (Grant 70112624). The laboratory of T.G.P.G. is supported by the Barbara und Wilfried Mohr Foundation. BR is supported by the Israel Science Foundation (grant No. 1436/19). RESEARCH IN CONTEXT Evidence before this study NB represents a particularly heterogeneous cancer entity, with 5-year event-free survival rate ranging from 50% to 98% depending on the patient’s risk group. While genes of the nutrient-sensing mTOR pathway were found to be up-regulated in MYCN -amplified NB tumors, their clinical relevance and prognostic value in NB patients remain unclear. In particular, the mTOR substrate-encoding gene EIF4EBP1 was studied in NB by three different groups and high EIF4EBP1 mRNA expression was observed in MYCN -amplified or contradictorily in more favorable stages 1 and 2 patients. Also, EIF4EBP1 was included in a prognostic gene signature for poor overall survival in NB. However, the prognostic value of EIF4EBP1 alone was not determined in NB and the expression of EIF4EBP1 encoded protein, 4EBP1, was not analyzed in NB tumor tissues and not correlated with clinicopathological features such as histological subtypes. Additionally, the transcriptional regulation of the EIF4EBP1 promoter by MYCN was not characterized. Added value of this study This study uncovers the prognostic potential of EIF4EBP1 at the mRNA and protein levels in NB patients. We report that high EIF4EBP1 expression is correlated with poor survival in three independent cohorts and that high 4EBP1 levels is associated with a prognostically unfavorable histological subtype. High EIF4EBP1 expression is also a factor of poor prognosis in stage 4 and high-risk patient groups. Finally, we found that MYCN activates the human EIF4EBP1 promoter through binding at three binding motifs. Implications of all the available evidence EIF4EBP1 mRNA and 4EBP1 protein expression have prognostic value in NB, especially to stratify patients with advanced and more aggressive NB, such as patients with stage 4 disease and high-risk patients including those with unfavorable histological subtype NB. Enhanced EIF4EBP1 mRNA and 4EBP1 protein expression in NB are driven by direct transcriptional activation of EIF4EBP1 by MYCN.