Secondary structure forms an important intermediate level of description of nucleic acids that encapsulates the dominating part of the folding energy, is often well conserved in evolution, and is routinely used as a basis to explain experimental findings. Based on carefully measured thermodynamic parameters, exact dynamic programming algorithms can be used to compute ground states, base pairing probabilities, as well as thermodynamic properties. The ViennaRNA Package has been a widely used compilation of RNA secondary structure related computer programs for nearly two decades. Major changes in the structure of the standard energy model, the Turner 2004 parameters, the pervasive use of multi-core CPUs, and an increasing number of algorithmic variants prompted a major technical overhaul of both the underlying RNAlib and the interactive user programs. New features include an expanded repertoire of tools to assess RNA-RNA interactions and restricted ensembles of structures, additional output information such as centroid structures and maximum expected accuracy structures derived from base pairing probabilities, or z-scores for locally stable secondary structures, and support for input in fasta format. Updates were implemented without compromising the computational efficiency of the core algorithms and ensuring compatibility with earlier versions. The ViennaRNA Package 2.0, supporting concurrent computations via OpenMP, can be downloaded from http://www.tbi.univie.ac.at/RNA .

Abstract Cancer is driven by genetic change, and the advent of massively parallel sequencing has enabled systematic documentation of this variation at the whole-genome scale 1–3 . Here we report the integrative analysis of 2,658 whole-cancer genomes and their matching normal tissues across 38 tumour types from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA). We describe the generation of the PCAWG resource, facilitated by international data sharing using compute clouds. On average, cancer genomes contained 4–5 driver mutations when combining coding and non-coding genomic elements; however, in around 5% of cases no drivers were identified, suggesting that cancer driver discovery is not yet complete. Chromothripsis, in which many clustered structural variants arise in a single catastrophic event, is frequently an early event in tumour evolution; in acral melanoma, for example, these events precede most somatic point mutations and affect several cancer-associated genes simultaneously. Cancers with abnormal telomere maintenance often originate from tissues with low replicative activity and show several mechanisms of preventing telomere attrition to critical levels. Common and rare germline variants affect patterns of somatic mutation, including point mutations, structural variants and somatic retrotransposition. A collection of papers from the PCAWG Consortium describes non-coding mutations that drive cancer beyond those in the TERT promoter 4 ; identifies new signatures of mutational processes that cause base substitutions, small insertions and deletions and structural variation 5,6 ; analyses timings and patterns of tumour evolution 7 ; describes the diverse transcriptional consequences of somatic mutation on splicing, expression levels, fusion genes and promoter activity 8,9 ; and evaluates a range of more-specialized features of cancer genomes 8,10–18 .

The Vienna RNA Websuite is a comprehensive collection of tools for folding, design and analysis of RNA sequences. It provides a web interface to the most commonly used programs of the Vienna RNA package. Among them, we find folding of single and aligned sequences, prediction of RNA–RNA interactions, and design of sequences with a given structure. Additionally, we provide analysis of folding landscapes using the barriers program and structural RNA alignments using LocARNA. The web server together with software packages for download is freely accessible at http://rna.tbi.univie.ac.at/ .

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.

Current therapies for medulloblastoma, a highly malignant childhood brain tumour, impose debilitating effects on the developing child, and highlight the need for molecularly targeted treatments with reduced toxicity. Previous studies have been unable to identify the full spectrum of driver genes and molecular processes that operate in medulloblastoma subgroups. Here we analyse the somatic landscape across 491 sequenced medulloblastoma samples and the molecular heterogeneity among 1,256 epigenetically analysed cases, and identify subgroup-specific driver alterations that include previously undiscovered actionable targets. Driver mutations were confidently assigned to most patients belonging to Group 3 and Group 4 medulloblastoma subgroups, greatly enhancing previous knowledge. New molecular subtypes were differentially enriched for specific driver events, including hotspot in-frame insertions that target KBTBD4 and ‘enhancer hijacking’ events that activate PRDM6. Thus, the application of integrative genomics to an extensive cohort of clinical samples derived from a single childhood cancer entity revealed a series of cancer genes and biologically relevant subtype diversity that represent attractive therapeutic targets for the treatment of patients with medulloblastoma. Genomic analysis of 491 medulloblastoma samples, including methylation profiling of 1,256 cases, effectively assigns candidate drivers to most tumours across all molecular subgroups. Medulloblastomas are highly malignant brain tumours that develop during childhood. Paul Northcott and colleagues analysed the whole-genome sequences of 491 medulloblastomas in order to characterize the genomic landscape across tumours and identify new drivers and mutational signatures. Their integrative genomic analyses, including methylation profiling of 1,256 medulloblastomas, identifies subgroup-specific driver mutations and suggests additional tumour subtypes. The authors assign driver mutations to a high proportion of the less well characterized Group 3 and Group 4, which together contribute to more than 60% of all medulloblastomas.

Medulloblastoma is an aggressively growing tumour, arising in the cerebellum or medulla/brain stem. It is the most common malignant brain tumour in children, and shows tremendous biological and clinical heterogeneity. Despite recent treatment advances, approximately 40% of children experience tumour recurrence, and 30% will die from their disease. Those who survive often have a significantly reduced quality of life. Four tumour subgroups with distinct clinical, biological and genetic profiles are currently identified. WNT tumours, showing activated wingless pathway signalling, carry a favourable prognosis under current treatment regimens. SHH tumours show hedgehog pathway activation, and have an intermediate prognosis. Group 3 and 4 tumours are molecularly less well characterized, and also present the greatest clinical challenges. The full repertoire of genetic events driving this distinction, however, remains unclear. Here we describe an integrative deep-sequencing analysis of 125 tumour-normal pairs, conducted as part of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) PedBrain Tumor Project. Tetraploidy was identified as a frequent early event in Group 3 and 4 tumours, and a positive correlation between patient age and mutation rate was observed. Several recurrent mutations were identified, both in known medulloblastoma-related genes (CTNNB1, PTCH1, MLL2, SMARCA4) and in genes not previously linked to this tumour (DDX3X, CTDNEP1, KDM6A, TBR1), often in subgroup-specific patterns. RNA sequencing confirmed these alterations, and revealed the expression of what are, to our knowledge, the first medulloblastoma fusion genes identified. Chromatin modifiers were frequently altered across all subgroups. These findings enhance our understanding of the genomic complexity and heterogeneity underlying medulloblastoma, and provide several potential targets for new therapeutics, especially for Group 3 and 4 patients.

Primitive neuroectodermal tumors of the central nervous system (CNS-PNETs) are highly aggressive, poorly differentiated embryonal tumors occurring predominantly in young children but also affecting adolescents and adults. Herein, we demonstrate that a significant proportion of institutionally diagnosed CNS-PNETs display molecular profiles indistinguishable from those of various other well-defined CNS tumor entities, facilitating diagnosis and appropriate therapy for patients with these tumors. From the remaining fraction of CNS-PNETs, we identify four new CNS tumor entities, each associated with a recurrent genetic alteration and distinct histopathological and clinical features. These new molecular entities, designated “CNS neuroblastoma with FOXR2 activation (CNS NB-FOXR2),” “CNS Ewing sarcoma family tumor with CIC alteration (CNS EFT-CIC),” “CNS high-grade neuroepithelial tumor with MN1 alteration (CNS HGNET-MN1),” and “CNS high-grade neuroepithelial tumor with BCOR alteration (CNS HGNET-BCOR),” will enable meaningful clinical trials and the development of therapeutic strategies for patients affected by poorly differentiated CNS tumors.

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.

Smoothened (SMO) inhibitors recently entered clinical trials for sonic-hedgehog-driven medulloblastoma (SHH-MB). Clinical response is highly variable. To understand the mechanism(s) of primary resistance and identify pathways cooperating with aberrant SHH signaling, we sequenced and profiled a large cohort of SHH-MBs (n = 133). SHH pathway mutations involved PTCH1 (across all age groups), SUFU (infants, including germline), and SMO (adults). Children >3 years old harbored an excess of downstream MYCN and GLI2 amplifications and frequent TP53 mutations, often in the germline, all of which were rare in infants and adults. Functional assays in different SHH-MB xenograft models demonstrated that SHH-MBs harboring a PTCH1 mutation were responsive to SMO inhibition, whereas tumors harboring an SUFU mutation or MYCN amplification were primarily resistant.

In honey bees (Apis mellifera) the behaviorally and reproductively distinct queen and worker female castes derive from the same genome as a result of differential intake of royal jelly and are implemented in concert with DNA methylation. To determine if these very different diet-controlled phenotypes correlate with unique brain methylomes, we conducted a study to determine the methyl cytosine (mC) distribution in the brains of queens and workers at single-base-pair resolution using shotgun bisulfite sequencing technology. The whole-genome sequencing was validated by deep 454 sequencing of selected amplicons representing eight methylated genes. We found that nearly all mCs are located in CpG dinucleotides in the exons of 5,854 genes showing greater sequence conservation than non-methylated genes. Over 550 genes show significant methylation differences between queens and workers, revealing the intricate dynamics of methylation patterns. The distinctiveness of the differentially methylated genes is underscored by their intermediate CpG densities relative to drastically CpG-depleted methylated genes and to CpG-richer non-methylated genes. We find a strong correlation between methylation patterns and splicing sites including those that have the potential to generate alternative exons. We validate our genome-wide analyses by a detailed examination of two transcript variants encoded by one of the differentially methylated genes. The link between methylation and splicing is further supported by the differential methylation of genes belonging to the histone gene family. We propose that modulation of alternative splicing is one mechanism by which DNA methylation could be linked to gene regulation in the honey bee. Our study describes a level of molecular diversity previously unknown in honey bees that might be important for generating phenotypic flexibility not only during development but also in the adult post-mitotic brain.