Abstract Glioblastoma (GBM) is the deadliest form of primary brain tumor with limited treatment options. Recent studies have profiled GBM tumor heterogeneity, revealing numerous axes of variation that explain the molecular and spatial features of the tumor. Here, we seek to bridge descriptive characterization of GBM cell type heterogeneity with the functional role of individual populations within the tumor. Our lens leverages a gene program-centric meta-atlas of published transcriptomic studies to identify commonalities between diverse tumors and cell types in order to decipher the mechanisms that drive them. This approach led to the discovery of a tumor-derived stem cell population with mixed vascular and neural stem cell features, termed a neurovascular progenitor (NVP). Following in situ validation and molecular characterization of NVP cells in GBM patient samples, we characterized their function in vivo. Genetic depletion of NVP cells resulted in altered tumor cell composition, fewer cycling cells, and extended survival, underscoring their critical functional role. Clonal analysis of primary patient tumors in a human organoid tumor transplantation system demonstrated that the NVP has dual potency, generating both neuronal and vascular tumor cells. Although NVP cells comprise a small fraction of the tumor, these clonal analyses demonstrated that they strongly contribute to the total number of cycling cells in the tumor and generate a defined subset of the whole tumor. This study represents a paradigm by which cell type-specific interrogation of tumor populations can be used to study functional heterogeneity and therapeutically targetable vulnerabilities of GBM.

Glioblastoma, the most aggressive and deadly form of primary brain cancer, is driven by both intrinsic cellular properties and external factors from the tumor microenvironment. Here, we leverage our novel human organoid tumor transplantation (HOTT) system to explore how extrinsic cues modulate glioblastoma cell type specification, heterogeneity, and migration. We show that HOTT recapitulates the core features of major patient tumor cell types and key aspects of peritumor cell types, while providing a human microenvironment that uniquely enables perturbations in both the patient tumor and its microenvironment. Our exploration of patient tumor microenvironmental interactions in HOTT highlighted PTPRZ1, a receptor tyrosine phosphatase implicated in tumor migration, as a key player in intercellular communication. We observed that tumor knockdown of PTPRZ1 recapitulated previously described roles in migration and maintaining progenitor identity. Unexpectedly, environmental PTPRZ1 knockdown drove opposite migration and cell fate changes in the tumor, even when the tumor was not manipulated. This previously undiscovered mode of tumor microenvironmental communication highlights the need to study human glioblastoma in the context of a human microenvironment such as HOTT.