Abstract Recent advances allowing the genomic analysis of individual cells from a bulk population have provided intriguing new insights into areas such as developmental processes and tumor heterogeneity. Most approaches to date, however, rely on the availability of fresh surgical specimens, thereby dramatically reducing the ability to profile particularly rare tissue types. Pediatric central nervous system tumors – the leading cause of childhood cancer deaths – represent one such example, where often only frozen rather than native material is available. Due to an increasing need for advanced techniques to understand the heterogeneity of these tumors, we optimized a method to isolate intact nuclei from long-term frozen pediatric glioma tissues. We performed a technical comparison between different single nucleus RNA-sequencing (snRNA-seq) systems using a patient-derived xenograft model as a test sample. Further, we applied the established nucleus isolation method to analyze frozen primary tissue from two pediatric central nervous system tumors – one pilocytic astrocytoma and one glioblastoma – allowing the identification of distinct tumor cell populations and infiltrating microglia. The results show that our fast, simple and low-cost nuclear isolation protocol provides intact nuclei, which can be used in both droplet-based 3’ transcriptome amplification (10X Genomics) and plate-based whole transcriptome amplification (Fluidigm C1) single-cell sequencing platforms, thereby dramatically increasing the potential for application of such methods to rare entities.

ABSTRACT Chromothripsis is a form of genome instability, whereby a presumably single catastrophic event generates extensive genomic rearrangements of one or few chromosome(s). However, little is known about the heterogeneity of chromothripsis across different clones from the same tumor, as well as changes in response to treatment. We analyzed single-cell genomic and transcriptomic alterations linked with chromothripsis in human p53-deficient medulloblastoma (n=7). We reconstructed the order of somatic events, identified early alterations likely linked to chromothripsis and depicted the contribution of chromothripsis to malignancy. We characterized subclonal variation of chromothripsis and its effects on double-minute chromosomes, cancer drivers and putatively druggable targets. Furthermore, we highlighted the causative role and the fitness consequences of specific rearrangements in neural progenitors. Graphical Abstract

Abstract Medulloblastoma with extensive nodularity (MBEN) are cerebellar tumors with two histologically distinct compartments and varying disease course. In some children MBEN progresses, while others show spontaneous differentiation into more benign tumors. However, the mechanisms that control the tug-of-war between proliferation and differentiation are not well understood. Here, we dissected this process with a multi-modal single cell transcriptome analysis. We found that the internodular MBEN compartment comprised proliferating early cerebellar granular neuronal precursors (CGNP)-like tumor cells as well as stromal, vascular, and immune cells. In contrast, the nodular compartment consisted of postmitotic, neuronally differentiated MBEN cells. Both compartments were connected through an intermediate cell stage of actively migrating CGNPs. Furthermore, astrocyte-like tumor cells were identified that had branched off the main CGNP developmental trajectory. Cells with an astroglial phenotype were found in close proximity to migrating, late CGNP-like and postmitotic neuronally differentiated cells. Our study reveals how the spatial tissue organization is linked to the developmental trajectory of proliferating tumor cells through a migrating precursor stage into differentiated tumor cells with a more benign phenotype. We anticipate that our framework for integrating single nucleus RNA-sequencing and spatial transcriptomics will help to uncover intercompartmental interactions also in other cancers with varying histology.

Abstract Despite an increasing gain of knowledge regarding small extracellular vesicle (sEV) composition and functions in cell-cell communication, the mechanism behind their biogenesis remains unclear. Here, we revealed for the first time that the sEV biogenesis and release into the microenvironment are tightly connected with another important organelle: Lipid Droplets (LD). We have observed this correlation using different human cancer cell lines as well as patient-derived colorectal cancer stem cells (CR-CSCs). Our results showed that the use of external stimuli such as radiation, pH, hypoxia, or lipid interfering drugs, known to affect the LD content, had a similar effect in terms of sEV secretion. Additional validations were brought using multiple omics data, at the mRNA and protein levels. Altogether, the possibility to fine-tune sEV biogenesis by targeting LDs, could have a massive impact on the amount, the cargos and the properties of those sEVs, paving the way for new clinical perspectives. Significance Statement

Abstract Supratentorial ependymomas are aggressive childhood brain cancers that retain features of neurodevelopmental cell types and segregate into molecularly and clinically distinct subgroups, suggesting different developmental roots. The developmental signatures as well as microenvironmental factors underlying aberrant cellular transformation and behavior across each supratentorial ependymoma subgroup are unknown. Here we integrated single cell- and spatial transcriptomics, as well as in vitro and in vivo live-cell imaging to define supratentorial ependymoma cell states, spatial organization, and dynamic behavior within the neural microenvironment. We find that individual tumor subgroups harbor two distinct progenitor-like cell states reminiscent of early human brain development and diverge in the extent of neuronal or ependymal differentiation. We further uncover several modes of spatial organization of these tumors, including a high order architecture influenced by mesenchymal and hypoxia signatures. Finally, we identify an unappreciated role for brain-resident cells in shifting supratentorial ependymoma cellular heterogeneity towards neuronal-like cells that co-opt immature neuronal morphology and invasion mechanisms. Collectively, these findings provide a multidimensional framework to integrate transcriptional and phenotypic characterization of tumor heterogeneity in supratentorial ependymoma and its potential clinical implications.

Abstract Supratentorial ependymomas (ST-EPN) are aggressive pediatric brain tumors that are categorized into distinct molecular subgroups. However, the developmental origins, tumor microenvironment, and phenotypic characteristics of tumor subpopulations across these subgroups are still poorly understood. In this study, we explored the human developmental signatures, global spatial organization, and the morphological and migratory tumor cell state behaviors in ST-EPN tumors at unprecedented resolution. We profiled 42 ST-EPN patients encompassing ZFTA-RELA (n = 20), ZFTA-Clusters 1 to 4 (n=20), and ST-YAP1 (n=4) subgroups by single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), spatial transcriptomics, and live-cell imaging. We identified recurrent tumor cell states across tumors, that cover both generic cell processes (including cycling and mesenchymal/hypoxia) and human embryonic and fetal brain developmental signatures. ST-EPN subgroups displayed distinct developmental signatures, mapping to two separate temporally restricted progenitors-neuroepithelial-like and embryonic-like cells. Additionally, tumors showed diverging patterns of neuronal or ependymal differentiation, with ZFTA-Cluster 3 tumors as especially distinct from other subgroups in both developmental origin and differentiation. Furthermore, by utilizing 10X Xenium and novel algorithms we discovered that mesenchymal/hypoxia is critical for driving global tissue architecture to become more organized. Notably, recurrent tumors exhibited higher proportion of mesenchymal/hypoxia cells and greater structure than primary tumors. Lastly, by superimposing molecular and functional assays in both in vivo and in vitro models, we found that cell states exhibit distinct morphological and migratory behaviors, with neuronal-like cells being the most invasive. Neuronal-like cells especially exhibited distinct behavioral patterns reminiscent of neuronal migration during development. Moreover, we demonstrated the crucial role of neuronal microenvironment in promoting plasticity of cells toward this neuronal lineage. Taken together, we present a multidimensional framework for investigating cellular states within ST-EPN tumors, offering novel insights into their developmental origins, patterns of spatial organization, and cellular behavioral characteristics.

Abstract Ependymomas encompass a heterogeneous group of central nervous system (CNS) neoplasms that occur along the entire neuroaxis. In recent years, extensive (epi-)genomic profiling efforts have identified several molecular groups of ependymoma that are characterized by distinct molecular alterations and/or patterns. Based on unsupervised visualization of a large cohort of genome-wide DNA methylation data, we identified a highly distinct group of pediatric-type tumors (n = 40) forming a cluster separate from all established CNS tumor types, of which a high proportion were histopathologically diagnosed as ependymoma. RNA sequencing revealed recurrent fusions involving the pleomorphic adenoma gene-like 1 ( PLAGL1 ) gene in 19 of 20 of the samples analyzed, with the most common fusion being EWSR1:PLAGL1 (n = 13). Five tumors showed a PLAGL1:FOXO1 fusion and one a PLAGL1:EP300 fusion. High transcript levels of PLAGL1 were noted in these tumors, with concurrent overexpression of the imprinted genes H19 and IGF2 , which are regulated by PLAGL1. Histopathological review of cases with sufficient material (n = 16) demonstrated a broad morphological spectrum of largely ependymoma-like tumors. Immunohistochemically, tumors were GFAP-positive and OLIG2- and SOX10-negative. In 3/16 of the cases, a dot-like positivity for EMA was detected. Consistent with other fusion-positive ependymal groups, all tumors in our series were located in the supratentorial compartment. Median age of the patients at the time of diagnosis was 6.2 years. Analysis of time to progression or recurrence revealed survival times comparable to those of patients with ZFTA:RELA -fused ependymoma. In summary, our findings suggest the existence of a novel group of supratentorial ependymomas that are characterized by recurrent PLAGL1 fusions and enriched for pediatric patients.