Glioblastoma (GBM) is a brain tumor that carries a dismal prognosis and displays considerable heterogeneity. We have recently identified recurrent H3F3A mutations affecting two critical amino acids (K27 and G34) of histone H3.3 in one-third of pediatric GBM. Here, we show that each H3F3A mutation defines an epigenetic subgroup of GBM with a distinct global methylation pattern, and that they are mutually exclusive with IDH1 mutations, which characterize a third mutation-defined subgroup. Three further epigenetic subgroups were enriched for hallmark genetic events of adult GBM and/or established transcriptomic signatures. We also demonstrate that the two H3F3A mutations give rise to GBMs in separate anatomic compartments, with differential regulation of transcription factors OLIG1, OLIG2, and FOXG1, possibly reflecting different cellular origins.

Pediatric glioblastomas (GBM) including diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPG) are devastating brain tumors with no effective therapy. Here, we investigated clinical and biological impacts of histone H3.3 mutations. Forty-two DIPGs were tested for H3.3 mutations. Wild-type versus mutated (K27M-H3.3) subgroups were compared for HIST1H3B, IDH, ATRX and TP53 mutations, copy number alterations and clinical outcome. K27M-H3.3 occurred in 71 %, TP53 mutations in 77 % and ATRX mutations in 9 % of DIPGs. ATRX mutations were more frequent in older children (p < 0.0001). No G34V/R-H3.3, IDH1/2 or H3.1 mutations were identified. K27M-H3.3 DIPGs showed specific copy number changes, including all gains/amplifications of PDGFRA and MYC/PVT1 loci. Notably, all long-term survivors were H3.3 wild type and this group of patients had better overall survival. K27M-H3.3 mutation defines clinically and biologically distinct subgroups and is prevalent in DIPG, which will impact future therapeutic trial design. K27M- and G34V-H3.3 have location-based incidence (brainstem/cortex) and potentially play distinct roles in pediatric GBM pathogenesis. K27M-H3.3 is universally associated with short survival in DIPG, while patients wild-type for H3.3 show improved survival. Based on prognostic and therapeutic implications, our findings argue for H3.3-mutation testing at diagnosis, which should be rapidly integrated into the clinical decision-making algorithm, particularly in atypical DIPG.

Pilocytic astrocytoma, the most common childhood brain tumor, is typically associated with mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway alterations. Surgically inaccessible midline tumors are therapeutically challenging, showing sustained tendency for progression and often becoming a chronic disease with substantial morbidities. Here we describe whole-genome sequencing of 96 pilocytic astrocytomas, with matched RNA sequencing (n = 73), conducted by the International Cancer Genome Consortium (ICGC) PedBrain Tumor Project. We identified recurrent activating mutations in FGFR1 and PTPN11 and new NTRK2 fusion genes in non-cerebellar tumors. New BRAF-activating changes were also observed. MAPK pathway alterations affected all tumors analyzed, with no other significant mutations identified, indicating that pilocytic astrocytoma is predominantly a single-pathway disease. Notably, we identified the same FGFR1 mutations in a subset of H3F3A-mutated pediatric glioblastoma with additional alterations in the NF1 gene. Our findings thus identify new potential therapeutic targets in distinct subsets of pilocytic astrocytoma and childhood glioblastoma.

William Dobyns and colleagues report de novo germline and postzygotic mutations in AKT3, PIK3R2 and PIK3CA in the sporadic overgrowth syndromes megalencephaly-polymicrogyria-polydactyly-hydrocephalus (MPPH) and megalencephaly-capillary malformation (MCAP). Megalencephaly-capillary malformation (MCAP) and megalencephaly-polymicrogyria-polydactyly-hydrocephalus (MPPH) syndromes are sporadic overgrowth disorders associated with markedly enlarged brain size and other recognizable features1,2,3,4,5. We performed exome sequencing in 3 families with MCAP or MPPH, and our initial observations were confirmed in exomes from 7 individuals with MCAP and 174 control individuals, as well as in 40 additional subjects with megalencephaly, using a combination of Sanger sequencing, restriction enzyme assays and targeted deep sequencing. We identified de novo germline or postzygotic mutations in three core components of the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)-AKT pathway. These include 2 mutations in AKT3, 1 recurrent mutation in PIK3R2 in 11 unrelated families with MPPH and 15 mostly postzygotic mutations in PIK3CA in 23 individuals with MCAP and 1 with MPPH. Our data highlight the central role of PI3K-AKT signaling in vascular, limb and brain development and emphasize the power of massively parallel sequencing in a challenging context of phenotypic and genetic heterogeneity combined with postzygotic mosaicism.

Nada Jabado and colleagues report identification of gain-of-function mutations in ACVR1, which encodes activin A receptor type I, in midline pediatric high-grade astrocytomas. Pediatric midline high-grade astrocytomas (mHGAs) are incurable with few treatment targets identified. Most tumors harbor mutations encoding p.Lys27Met in histone H3 variants. In 40 treatment-naive mHGAs, 39 analyzed by whole-exome sequencing, we find additional somatic mutations specific to tumor location. Gain-of-function mutations in ACVR1 occur in tumors of the pons in conjunction with histone H3.1 p.Lys27Met substitution, whereas FGFR1 mutations or fusions occur in thalamic tumors associated with histone H3.3 p.Lys27Met substitution. Hyperactivation of the bone morphogenetic protein (BMP)-ACVR1 developmental pathway in mHGAs harboring ACVR1 mutations led to increased levels of phosphorylated SMAD1, SMAD5 and SMAD8 and upregulation of BMP downstream early-response genes in tumor cells. Global DNA methylation profiles were significantly associated with the p.Lys27Met alteration, regardless of the mutant histone H3 variant and irrespective of tumor location, supporting the role of this substitution in driving the epigenetic phenotype. This work considerably expands the number of potential treatment targets and further justifies pretreatment biopsy in pediatric mHGA as a means to orient therapeutic efforts in this disease.

Enzymes that catalyse CpG methylation in DNA, including the DNA methyltransferases 1 (DNMT1), 3A (DNMT3A) and 3B (DNMT3B), are indispensable for mammalian tissue development and homeostasis1–4. They are also implicated in human developmental disorders and cancers5–8, supporting the critical role of DNA methylation in the specification and maintenance of cell fate. Previous studies have suggested that post-translational modifications of histones are involved in specifying patterns of DNA methyltransferase localization and DNA methylation at promoters and actively transcribed gene bodies9–11. However, the mechanisms that control the establishment and maintenance of intergenic DNA methylation remain poorly understood. Tatton–Brown–Rahman syndrome (TBRS) is a childhood overgrowth disorder that is defined by germline mutations in DNMT3A. TBRS shares clinical features with Sotos syndrome (which is caused by haploinsufficiency of NSD1, a histone methyltransferase that catalyses the dimethylation of histone H3 at K36 (H3K36me2)8,12,13), which suggests that there is a mechanistic link between these two diseases. Here we report that NSD1-mediated H3K36me2 is required for the recruitment of DNMT3A and maintenance of DNA methylation at intergenic regions. Genome-wide analysis shows that the binding and activity of DNMT3A colocalize with H3K36me2 at non-coding regions of euchromatin. Genetic ablation of Nsd1 and its paralogue Nsd2 in mouse cells results in a redistribution of DNMT3A to H3K36me3-modified gene bodies and a reduction in the methylation of intergenic DNA. Blood samples from patients with Sotos syndrome and NSD1-mutant tumours also exhibit hypomethylation of intergenic DNA. The PWWP domain of DNMT3A shows dual recognition of H3K36me2 and H3K36me3 in vitro, with a higher binding affinity towards H3K36me2 that is abrogated by TBRS-derived missense mutations. Together, our study reveals a trans-chromatin regulatory pathway that connects aberrant intergenic CpG methylation to human neoplastic and developmental overgrowth. H3K36me2 targets DNMT3A to intergenic regions and this process, together with H3K36me3-mediated recruitment of DNMT3B, has a key role in establishing and maintaining genomic DNA methylation landscapes.

Medulloblastoma, the most common malignant paediatric brain tumour, arises in the cerebellum and disseminates through the cerebrospinal fluid in the leptomeningeal space to coat the brain and spinal cord. Dissemination, a marker of poor prognosis, is found in up to 40% of children at diagnosis and in most children at the time of recurrence. Affected children therefore are treated with radiation to the entire developing brain and spinal cord, followed by high-dose chemotherapy, with the ensuing deleterious effects on the developing nervous system. The mechanisms of dissemination through the cerebrospinal fluid are poorly studied, and medulloblastoma metastases have been assumed to be biologically similar to the primary tumour. Here we show that in both mouse and human medulloblastoma, the metastases from an individual are extremely similar to each other but are divergent from the matched primary tumour. Clonal genetic events in the metastases can be demonstrated in a restricted subclone of the primary tumour, suggesting that only rare cells within the primary tumour have the ability to metastasize. Failure to account for the bicompartmental nature of metastatic medulloblastoma could be a major barrier to the development of effective targeted therapies.