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.

Whole-genome sequencing of neuroblastoma, a childhood tumour of the nervous system, shows that chromothripsis (a local shredding of chromosomes) and mutations in genes regulating neurite growth are associated with the most aggressive tumours. Whole-genome sequencing is used here to identify genetic defects in 87 people with neuroblastoma, a childhood tumour of the peripheral sympathetic nervous system. Analyses revealed few recurrent amino-acid-changing mutations, but a series of genes functioning in neuritogenesis and extension of neuronal growth cones were deleted in aggressive high-stage tumours. Chromothripsis, the localized shattering of the chromosomes, was common in high-stage tumours and was generally associated with poor prognosis. Neuroblastoma is a childhood tumour of the peripheral sympathetic nervous system. The pathogenesis has for a long time been quite enigmatic, as only very few gene defects were identified in this often lethal tumour1. Frequently detected gene alterations are limited to MYCN amplification (20%) and ALK activations (7%)2,3,4,5. Here we present a whole-genome sequence analysis of 87 neuroblastoma of all stages. Few recurrent amino-acid-changing mutations were found. In contrast, analysis of structural defects identified a local shredding of chromosomes, known as chromothripsis, in 18% of high-stage neuroblastoma6. These tumours are associated with a poor outcome. Structural alterations recurrently affected ODZ3, PTPRD and CSMD1, which are involved in neuronal growth cone stabilization7,8,9. In addition, ATRX, TIAM1 and a series of regulators of the Rac/Rho pathway were mutated, further implicating defects in neuritogenesis in neuroblastoma. Most tumours with defects in these genes were aggressive high-stage neuroblastomas, but did not carry MYCN amplifications. The genomic landscape of neuroblastoma therefore reveals two novel molecular defects, chromothripsis and neuritogenesis gene alterations, which frequently occur in high-risk tumours.

Genomic rearrangements are thought to occur progressively during tumor development. Recent findings, however, suggest an alternative mechanism, involving massive chromosome rearrangements in a one-step catastrophic event termed chromothripsis. We report the whole-genome sequencing-based analysis of a Sonic-Hedgehog medulloblastoma (SHH-MB) brain tumor from a patient with a germline TP53 mutation (Li-Fraumeni syndrome), uncovering massive, complex chromosome rearrangements. Integrating TP53 status with microarray and deep sequencing-based DNA rearrangement data in additional patients reveals a striking association between TP53 mutation and chromothripsis in SHH-MBs. Analysis of additional tumor entities substantiates a link between TP53 mutation and chromothripsis, and indicates a context-specific role for p53 in catastrophic DNA rearrangements. Among these, we observed a strong association between somatic TP53 mutations and chromothripsis in acute myeloid leukemia. These findings connect p53 status and chromothripsis in specific tumor types, providing a genetic basis for understanding particularly aggressive subtypes of cancer.

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 Kidney tumours are among the most common solid tumours in children, comprising distinct subtypes differing in many aspects, including cell-of-origin, genetics, and pathology. Pre-clinical cell models capturing the disease heterogeneity are currently lacking. Here, we describe the first paediatric cancer organoid biobank. It contains tumour and matching normal kidney organoids from over 50 children with different subtypes of kidney cancer, including Wilms tumours, malignant rhabdoid tumours, renal cell carcinomas, and congenital mesoblastic nephromas. Paediatric kidney tumour organoids retain key properties of native tumours, useful for revealing patient-specific drug sensitivities. Using single cell RNA-sequencing and high resolution 3D imaging, we further demonstrate that organoid cultures derived from Wilms tumours consist of multiple different cell types, including epithelial, stromal and blastemal-like cells. Our organoid biobank captures the heterogeneity of paediatric kidney tumours, providing a representative collection of well-characterised models for basic cancer research, drug-screening and personalised medicine.

Neuroblastoma is a pediatric tumor of the sympathetic nervous system. MYCN (V-myc myelocytomatosis viral-related oncogene, neuroblastoma derived [avian]) is amplified in 20% of neuroblastomas, and these tumors carry a poor prognosis. However, tumors without MYCN amplification also may have a poor outcome. Here, we identified downstream targets of MYCN by shRNA-mediated silencing MYCN in neuroblastoma cells. From these targets, 157 genes showed an expression profile correlating with MYCN mRNA levels in NB88, a series of 88 neuroblastoma tumors, and therefore represent in vivo relevant MYCN pathway genes. This 157-gene signature identified very poor prognosis tumors in NB88 and independent neuroblastoma cohorts and was more powerful than MYCN amplification or MYCN expression alone. Remarkably, this signature also identified poor outcome of a group of tumors without MYCN amplification. Most of these tumors have low MYCN mRNA levels but high nuclear MYCN protein levels, suggesting stabilization of MYCN at the protein level. One tumor has an MYC amplification and high MYC expression. Chip-on-chip analyses showed that most genes in this signature are directly regulated by MYCN. MYCN induces genes functioning in cell cycle and DNA repair while repressing neuronal differentiation genes. The functional MYCN-157 signature recognizes classical neuroblastoma with MYCN amplification, as well as a newly identified group marked by MYCN protein stabilization.

Abstract Neuroblastoma is an embryonal childhood cancer that arises from aberrant development of the neural crest, mostly within the fetal adrenal medulla. It is not established what developmental processes neuroblastoma cancer cells represent. Here, we sought to reveal the phenotype of neuroblastoma cancer cells by comparing cancer (n=16,591) with fetal adrenal single cell transcriptomes (n=57,972). Our principal finding was that the neuroblastoma cancer cell resembled fetal sympathoblasts, but no other fetal adrenal cell type. The sympathoblastic state was a universal feature of neuroblastoma cells, transcending cell cluster diversity, individual patients and clinical phenotypes. We substantiated our findings in 652 neuroblastoma bulk transcriptomes and by integrating canonical features of the neuroblastoma genome with transcriptional signals. Overall, our observations indicate that there exists a pan-neuroblastoma cancer cell state which may be an attractive target for novel therapeutic avenues.