Most patients with non–small-cell lung cancer have no response to the tyrosine kinase inhibitor gefitinib, which targets the epidermal growth factor receptor (EGFR). However, about 10 percent of patients have a rapid and often dramatic clinical response. The molecular mechanisms underlying sensitivity to gefitinib are unknown.

Human cancers are complex ecosystems composed of cells with distinct phenotypes, genotypes, and epigenetic states, but current models do not adequately reflect tumor composition in patients. We used single-cell RNA sequencing (RNA-seq) to profile 430 cells from five primary glioblastomas, which we found to be inherently variable in their expression of diverse transcriptional programs related to oncogenic signaling, proliferation, complement/immune response, and hypoxia. We also observed a continuum of stemness-related expression states that enabled us to identify putative regulators of stemness in vivo. Finally, we show that established glioblastoma subtype classifiers are variably expressed across individual cells within a tumor and demonstrate the potential prognostic implications of such intratumoral heterogeneity. Thus, we reveal previously unappreciated heterogeneity in diverse regulatory programs central to glioblastoma biology, prognosis, and therapy.

Cancers arise owing to mutations in a subset of genes that confer growth advantage. The availability of the human genome sequence led us to propose that systematic resequencing of cancer genomes for mutations would lead to the discovery of many additional cancer genes. Here we report more than 1,000 somatic mutations found in 274 megabases (Mb) of DNA corresponding to the coding exons of 518 protein kinase genes in 210 diverse human cancers. There was substantial variation in the number and pattern of mutations in individual cancers reflecting different exposures, DNA repair defects and cellular origins. Most somatic mutations are likely to be ‘passengers’ that do not contribute to oncogenesis. However, there was evidence for ‘driver’ mutations contributing to the development of the cancers studied in approximately 120 genes. Systematic sequencing of cancer genomes therefore reveals the evolutionary diversity of cancers and implicates a larger repertoire of cancer genes than previously anticipated. Over 350 cancer-causing genes have been identified by established techniques such as mapping, bioassay and by identifying plausible biological candidates. The availability of the human genome sequence now means that large-scale sequencing studies can uncover many more candidate cancer genes. Protein kinase enzymes are key to many regulatory processes and their dysfunction is a common trigger for tumours. So a sample of 518 kinases associated with more than 200 different cancers was chosen for a major sequencing effort. The study reveals more than 1, 000 previously unknown mutations linked to tumour formation — some as 'passengers' that don't contribute to cancer formation, but over 100 of them as 'driver' mutations that do contribute to disease development. As well as revealing cancer-causing defects, gene family studies like this can uncover new targets for molecular diagnostics and therapeutics. 518 protein kinase genes in the human genome have been sequenced in a large sample of tumours, providing a global view of the patterns of mutations found and the variations in the number and type of mutations between individual tumours.

Using MRI techniques, we show here that normalization of tumor vessels in recurrent glioblastoma patients by daily administration of AZD2171—an oral tyrosine kinase inhibitor of VEGF receptors—has rapid onset, is prolonged but reversible, and has the significant clinical benefit of alleviating edema. Reversal of normalization began by 28 days, though some features persisted for as long as four months. Basic FGF, SDF1α, and viable circulating endothelial cells (CECs) increased when tumors escaped treatment, and circulating progenitor cells (CPCs) increased when tumors progressed after drug interruption. Our study provides insight into different mechanisms of action of this class of drugs in recurrent glioblastoma patients and suggests that the timing of combination therapy may be critical for optimizing activity against this tumor.

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.

Gliomas are common malignant neoplasms of the central nervous system. Among the major subtypes of gliomas, oligodendrogliomas are distinguished by their remarkable sensitivity to chemotherapy, with approximately two thirds of anaplastic (malignant) oligodendrogliomas responding dramatically to combination treatment with procarbazine, lomustine, and vincristine (termed PCV). Unfortunately, no clinical or pathologic feature of these tumors allows accurate prediction of their response to chemotherapy. Anaplastic oligodendrogliomas also are distinguished by a unique constellation of molecular genetic alterations, including coincident loss of chromosomal arms 1p and 19q in 50%-70% of tumors. We have hypothesized that these or other specific genetic changes might predict the response to chemotherapy and prognosis in patients with anaplastic oligodendrogliomas. Therefore, we have analyzed molecular genetic alterations involving chromosomes 1p, 10q, and 19q and the TP53 (on chromosome 17p) and CDKN2A (on chromosome 9p) genes, in addition to clinicopathologic features in 39 patients with anaplastic oligodendrogliomas for whom chemotherapeutic response and survival could be assessed.Allelic loss (or loss of heterozygosity) of chromosome 1p is a statistically significant predictor of chemosensitivity, and combined loss involving chromosomes 1p and 19q is statistically significantly associated with both chemosensitivity and longer recurrence-free survival after chemotherapy. Moreover, in both univariate and multivariate analyses, losses involving both chromosomes 1p and 19q were strongly associated with longer overall survival, whereas CDKN2A gene deletions and ring enhancement (i.e., contrast enhancement forming a rim around the tumor) on neuroimaging were associated with a significantly worse prognosis. The inverse relationship between CDKN2A gene deletions and losses of chromosomes 1p and 19q further implies that these differential clinical behaviors reflect two independent genetic subtypes of anaplastic oligodendroglioma. These results suggest that molecular genetic analysis may aid therapeutic decisions and predict outcome in patients with anaplastic oligodendrogliomas.

A multistage microfluidic chip is capable of sorting rare EpCAM + and EpCAM − CTCs from cancer patients’ whole blood.

Normal human cells exhibit a limited replicative life span in culture, eventually arresting growth by a process termed senescence. Progressive telomere shortening appears to trigger senescence in normal human fibroblasts and retinal pigment epithelial cells, as ectopic expression of the telomerase catalytic subunit, hTERT, immortalizes these cell types directly. Telomerase expression alone is insufficient to enable certain other cell types to evade senescence, however. Such cells, including keratinocytes and mammary epithelial cells, appear to require loss of the pRB/p16(INK4a) cell cycle control mechanism in addition to hTERT expression to achieve immortality. To investigate the relationships among telomerase activity, cell cycle control, senescence, and differentiation, we expressed hTERT in two epithelial cell types, keratinocytes and mesothelial cells, and determined the effect on proliferation potential and on the function of cell-type-specific growth control and differentiation systems. Ectopic hTERT expression immortalized normal mesothelial cells and a premalignant, p16(INK4a)-negative keratinocyte line. In contrast, when four keratinocyte strains cultured from normal tissue were transduced to express hTERT, they were incompletely rescued from senescence. After reaching the population doubling limit of their parent cell strains, hTERT(+) keratinocytes entered a slow growth phase of indefinite length, from which rare, rapidly dividing immortal cells emerged. These immortal cell lines frequently had sustained deletions of the CDK2NA/INK4A locus or otherwise were deficient in p16(INK4a) expression. They nevertheless typically retained other keratinocyte growth controls and differentiated normally in culture and in xenografts. Thus, keratinocyte replicative potential is limited by a p16(INK4a)-dependent mechanism, the activation of which can occur independent of telomere length. Abrogation of this mechanism together with telomerase expression immortalizes keratinocytes without affecting other major growth control or differentiation systems.