Although genomewide RNA expression analysis has become a routine tool in biomedical research, extracting biological insight from such information remains a major challenge. Here, we describe a powerful analytical method called Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) for interpreting gene expression data. The method derives its power by focusing on gene sets, that is, groups of genes that share common biological function, chromosomal location, or regulation. We demonstrate how GSEA yields insights into several cancer-related data sets, including leukemia and lung cancer. Notably, where single-gene analysis finds little similarity between two independent studies of patient survival in lung cancer, GSEA reveals many biological pathways in common. The GSEA method is embodied in a freely available software package, together with an initial database of 1,325 biologically defined gene sets.

Tumour cells release an abundance of microvesicles containing a selected set of proteins and RNAs. Here, we show that tumour microvesicles also carry DNA, which reflects the genetic status of the tumour, including amplification of the oncogene c-Myc. We also find amplified c-Myc in serum microvesicles from tumour-bearing mice. Further, we find remarkably high levels of retrotransposon RNA transcripts, especially for some human endogenous retroviruses, such as LINE-1 and Alu retrotransposon elements, in tumour microvesicles and these transposable elements could be transferred to normal cells. These findings expand the nucleic acid content of tumour microvesicles to include: elevated levels of specific coding and non-coding RNA and DNA, mutated and amplified oncogene sequences and transposable elements. Thus, tumour microvesicles contain a repertoire of genetic information available for horizontal gene transfer and potential use as blood biomarkers for cancer. Microvesicles containing RNA are released from tumour cells. Here, the authors show that microvesicles released from tumour cells in culture have amplified levels of thec-Myconcogene, which is also found in the cell of origin, suggesting that microvesicles could be used as biomarkers.

Medulloblastoma is the most common malignant brain tumor in childhood. Molecular studies from several groups around the world demonstrated that medulloblastoma is not one disease but comprises a collection of distinct molecular subgroups. However, all these studies reported on different numbers of subgroups. The current consensus is that there are only four core subgroups, which should be termed WNT, SHH, Group 3 and Group 4. Based on this, we performed a meta-analysis of all molecular and clinical data of 550 medulloblastomas brought together from seven independent studies. All cases were analyzed by gene expression profiling and for most cases SNP or array-CGH data were available. Data are presented for all medulloblastomas together and for each subgroup separately. For validation purposes, we compared the results of this meta-analysis with another large medulloblastoma cohort (n = 402) for which subgroup information was obtained by immunohistochemistry. Results from both cohorts are highly similar and show how distinct the molecular subtypes are with respect to their transcriptome, DNA copy-number aberrations, demographics, and survival. Results from these analyses will form the basis for prospective multi-center studies and will have an impact on how the different subgroups of medulloblastoma will be treated in the future.

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.

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.

Medulloblastoma is the most common brain tumour in children; using exome sequencing of tumour samples the authors show that these cancers have low mutation rates and identify 12 significantly mutated genes, among them the gene encoding RNA helicase DDX3X. Medulloblastoma is the most common malignant brain tumour in children. Four papers published in the 2 August 2012 issue of Nature use whole-genome and other sequencing techniques to produce a detailed picture of the genetics and genomics of this condition. Notable findings include the identification of recurrent mutations in genes not previously implicated in medulloblastoma, with significant genetic differences associated with the four biologically distinct subgroups and clinical outcomes in each. Potential avenues for therapy are suggested by the identification of targetable somatic copy-number alterations, including recurrent events targeting TGFβ signalling in Group 3, and NF-κB signalling in Group 4 medulloblastomas. Medulloblastomas are the most common malignant brain tumours in children1. Identifying and understanding the genetic events that drive these tumours is critical for the development of more effective diagnostic, prognostic and therapeutic strategies. Recently, our group and others described distinct molecular subtypes of medulloblastoma on the basis of transcriptional and copy number profiles2,3,4,5. Here we use whole-exome hybrid capture and deep sequencing to identify somatic mutations across the coding regions of 92 primary medulloblastoma/normal pairs. Overall, medulloblastomas have low mutation rates consistent with other paediatric tumours, with a median of 0.35 non-silent mutations per megabase. We identified twelve genes mutated at statistically significant frequencies, including previously known mutated genes in medulloblastoma such as CTNNB1, PTCH1, MLL2, SMARCA4 and TP53. Recurrent somatic mutations were newly identified in an RNA helicase gene, DDX3X, often concurrent with CTNNB1 mutations, and in the nuclear co-repressor (N-CoR) complex genes GPS2, BCOR and LDB1. We show that mutant DDX3X potentiates transactivation of a TCF promoter and enhances cell viability in combination with mutant, but not wild-type, β-catenin. Together, our study reveals the alteration of WNT, hedgehog, histone methyltransferase and now N-CoR pathways across medulloblastomas and within specific subtypes of this disease, and nominates the RNA helicase DDX3X as a component of pathogenic β-catenin signalling in medulloblastoma.

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.