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.

Activation of telomere maintenance mechanisms—caused by novel somatic rearrangements of TERT, by MYCN amplification, or ATRX mutations—is a hallmark of high-risk neuroblastomas. About half of individuals with neuroblastomas — paediatric tumours of the sympathetic nervous system — are at high risk of poor clinical outcomes. These authors sequence 39 such neuroblastoma tumours, along with 17 low-risk types, and find that about one-quarter of the former have rearrangements near the telomerase reverse transcriptase (TERT) gene that are absent in the latter. TERT-rearranged neuroblastoma cell lines had higher levels of enzymatic telomerase activity than those lacking such rearrangements. These findings suggest that further development of inhibitors of the protein telomerase may lead to a novel therapeutic option for the most aggressive subgroup of this disease. Neuroblastoma is a malignant paediatric tumour of the sympathetic nervous system1. Roughly half of these tumours regress spontaneously or are cured by limited therapy. By contrast, high-risk neuroblastomas have an unfavourable clinical course despite intensive multimodal treatment, and their molecular basis has remained largely elusive2,3,4. Here we have performed whole-genome sequencing of 56 neuroblastomas (high-risk, n = 39; low-risk, n = 17) and discovered recurrent genomic rearrangements affecting a chromosomal region at 5p15.33 proximal of the telomerase reverse transcriptase gene (TERT). These rearrangements occurred only in high-risk neuroblastomas (12/39, 31%) in a mutually exclusive fashion with MYCN amplifications and ATRX mutations, which are known genetic events in this tumour type1,2,5. In an extended case series (n = 217), TERT rearrangements defined a subgroup of high-risk tumours with particularly poor outcome. Despite a large structural diversity of these rearrangements, they all induced massive transcriptional upregulation of TERT. In the remaining high-risk tumours, TERT expression was also elevated in MYCN-amplified tumours, whereas alternative lengthening of telomeres was present in neuroblastomas without TERT or MYCN alterations, suggesting that telomere lengthening represents a central mechanism defining this subtype. The 5p15.33 rearrangements juxtapose the TERT coding sequence to strong enhancer elements, resulting in massive chromatin remodelling and DNA methylation of the affected region. Supporting a functional role of TERT, neuroblastoma cell lines bearing rearrangements or amplified MYCN exhibited both upregulated TERT expression and enzymatic telomerase activity. In summary, our findings show that remodelling of the genomic context abrogates transcriptional silencing of TERT in high-risk neuroblastoma and places telomerase activation in the centre of transformation in a large fraction of these tumours.

In human neuroblastoma, amplification of the MYCN gene predicts poor prognosis and resistance to therapy. In a shRNA screen of genes that are highly expressed in MYCN-amplified tumors, we have identified AURKA as a gene that is required for the growth of MYCN-amplified neuroblastoma cells but largely dispensable for cells lacking amplified MYCN. Aurora A has a critical function in regulating turnover of the N-Myc protein. Degradation of N-Myc requires sequential phosphorylation by cyclin B/Cdk1 and Gsk3. N-Myc is therefore degraded during mitosis in response to low levels of PI3-kinase activity. Aurora A interacts with both N-Myc and the SCF(Fbxw7) ubiquitin ligase that ubiquitinates N-Myc and counteracts degradation of N-Myc, thereby uncoupling N-Myc stability from growth factor-dependent signals.

John Maris, Jan Molenaar, Gudrun Schleiermacher and colleagues performed whole-genome sequencing of 23 paired diagnostic and relapsed neuroblastomas, showing enrichment for mutations in the RAS-MAPK signaling pathway. These mutations render neuroblastoma cell lines susceptible to MEK inhibition. The majority of patients with neuroblastoma have tumors that initially respond to chemotherapy, but a large proportion will experience therapy-resistant relapses. The molecular basis of this aggressive phenotype is unknown. Whole-genome sequencing of 23 paired diagnostic and relapse neuroblastomas showed clonal evolution from the diagnostic tumor, with a median of 29 somatic mutations unique to the relapse sample. Eighteen of the 23 relapse tumors (78%) showed mutations predicted to activate the RAS-MAPK pathway. Seven of these events were detected only in the relapse tumor, whereas the others showed clonal enrichment. In neuroblastoma cell lines, we also detected a high frequency of activating mutations in the RAS-MAPK pathway (11/18; 61%), and these lesions predicted sensitivity to MEK inhibition in vitro and in vivo. Our findings provide a rationale for genetic characterization of relapse neuroblastomas and show that RAS-MAPK pathway mutations may function as a biomarker for new therapeutic approaches to refractory disease.

Abstract Aberrant epigenetic changes in DNA methylation and histone acetylation are hallmarks of most cancers, whereas histone methylation was previously considered to be irreversible and less versatile. Recently, several histone demethylases were identified catalyzing the removal of methyl groups from histone H3 lysine residues and thereby influencing gene expression. Neuroblastomas continue to remain a clinical challenge despite advances in multimodal therapy. Here, we address the functional significance of the chromatin-modifying enzyme lysine-specific demethylase 1 (LSD1) in neuroblastoma. LSD1 expression correlated with adverse outcome and was inversely correlated with differentiation in neuroblastic tumors. Differentiation of neuroblastoma cells resulted in down-regulation of LSD1. Small interfering RNA–mediated knockdown of LSD1 decreased cellular growth, induced expression of differentiation-associated genes, and increased target gene–specific H3K4 methylation. Moreover, LSD1 inhibition using monoamine oxidase inhibitors resulted in an increase of global H3K4 methylation and growth inhibition of neuroblastoma cells in vitro. Finally, targeting LSD1 reduced neuroblastoma xenograft growth in vivo. Here, we provide the first evidence that a histone demethylase, LSD1, is involved in maintaining the undifferentiated, malignant phenotype of neuroblastoma cells. We show that inhibition of LSD1 reprograms the transcriptome of neuroblastoma cells and inhibits neuroblastoma xenograft growth. Our results suggest that targeting histone demethylases may provide a novel option for cancer therapy. [Cancer Res 2009;69(5):2065–71]

Extrachromosomal DNA (ecDNA) amplification promotes intratumoral genetic heterogeneity and accelerated tumor evolution1–3; however, its frequency and clinical impact are unclear. Using computational analysis of whole-genome sequencing data from 3,212 cancer patients, we show that ecDNA amplification frequently occurs in most cancer types but not in blood or normal tissue. Oncogenes were highly enriched on amplified ecDNA, and the most common recurrent oncogene amplifications arose on ecDNA. EcDNA amplifications resulted in higher levels of oncogene transcription compared to copy number-matched linear DNA, coupled with enhanced chromatin accessibility, and more frequently resulted in transcript fusions. Patients whose cancers carried ecDNA had significantly shorter survival, even when controlled for tissue type, than patients whose cancers were not driven by ecDNA-based oncogene amplification. The results presented here demonstrate that ecDNA-based oncogene amplification is common in cancer, is different from chromosomal amplification and drives poor outcome for patients across many cancer types. A pan-cancer analysis finds that extrachromosomal DNA is pervasive and associated with oncogene amplification and poor patient outcomes.