The evolutionary processes that drive universal therapeutic resistance in adult patients with diffuse glioma remain unclear1,2. Here we analysed temporally separated DNA-sequencing data and matched clinical annotation from 222 adult patients with glioma. By analysing mutations and copy numbers across the three major subtypes of diffuse glioma, we found that driver genes detected at the initial stage of disease were retained at recurrence, whereas there was little evidence of recurrence-specific gene alterations. Treatment with alkylating agents resulted in a hypermutator phenotype at different rates across the glioma subtypes, and hypermutation was not associated with differences in overall survival. Acquired aneuploidy was frequently detected in recurrent gliomas and was characterized by IDH mutation but without co-deletion of chromosome arms 1p/19q, and further converged with acquired alterations in the cell cycle and poor outcomes. The clonal architecture of each tumour remained similar over time, but the presence of subclonal selection was associated with decreased survival. Finally, there were no differences in the levels of immunoediting between initial and recurrent gliomas. Collectively, our results suggest that the strongest selective pressures occur during early glioma development and that current therapies shape this evolution in a largely stochastic manner. The GLASS Consortium studies the evolutionary trajectories of 222 patients with a diffuse glioma to aid in our understanding of tumour progression and treatment failure

The synthesis, preclinical profile, and in vivo efficacy in rat xenograft models of the novel and selective anaplastic lymphoma kinase inhibitor 15b (LDK378) are described. In this initial report, preliminary structure–activity relationships (SARs) are described as well as the rational design strategy employed to overcome the development deficiencies of the first generation ALK inhibitor 4 (TAE684). Compound 15b is currently in phase 1 and phase 2 clinical trials with substantial antitumor activity being observed in ALK-positive cancer patients.

Summary To interrogate the factors driving therapy resistance in diffuse glioma, we collected and analyzed RNA and/or DNA sequencing data from temporally separated tumor pairs of 292 adult patients with IDH-wild-type or IDH-mutant glioma. Tumors recurred in distinct manners that were dependent on IDH mutation status and attributable to changes in histological feature composition, somatic alterations, and microenvironment interactions. Hypermutation and acquired CDKN2A deletions associated with an increase in proliferating stem-like malignant cells at recurrence in both glioma subtypes, reflecting active tumor growth. IDH-wild-type tumors were more invasive at recurrence, and their malignant cells exhibited increased expression of neuronal signaling programs that reflected a possible role for neuronal interactions in promoting glioma progression. Mesenchymal transition was associated with the presence of a specific myeloid cell state defined by unique ligand-receptor interactions with malignant cells. Collectively, our results uncover recurrence-associated changes that could be targetable to shape disease progression following initial diagnosis.

ABSTRACT Glioma intratumoral heterogeneity enables adaptation to challenging microenvironments and contributes to universal therapeutic resistance. Here, we integrated 914 single-cell DNA methylomes, 55,284 single-cell transcriptomes, and bulk multi-omic profiles across 11 adult IDH-mutant or IDH-wild-type gliomas to delineate sources of intratumoral heterogeneity. We found that local DNA methylation instability, or epimutation burden, was elevated in more aggressive tumors, reflected intratumoral variability, linked with transcriptional disruption, and associated with environmental stress response. We show that the activation of cell-state specific transcription factors is impacted by epimutations and that loosened epigenetic control may facilitate cellular plasticity. Our analyses support that somatic copy number alterations (SCNAs) promote epigenetic instability and that SCNAs largely precede epigenetic and transcriptomic diversification during glioma evolution. We confirmed the link between genetic and epigenetic instability by analyzing larger cohorts of bulk longitudinally collected and spatially separated DNA methylation data. Increased DNA methylation instability was associated with accelerated disease progression, and recurrently selected DNA methylation changes were enriched for environmental stress response pathways. Our work provides an integrative framework to better understand glioma evolution and highlights the importance of epigenetic heterogeneity in shaping therapeutic response.

Summary Tumor adaptation or selection is thought to underlie therapy resistance of gliomas. To investigate the longitudinal epigenetic evolution of gliomas in response to therapeutic pressure, we performed an epigenomic analysis of 143 matched initial and recurrent patients with IDH-wildtype (IDHwt) and IDH-mutant (IDHmut) gliomas. IDHwt gliomas showed a longitudinally stable epigenome with relatively low levels of global methylation, whereas the epigenome of IDHmut gliomas showed initial high levels genome-wide of DNA methylation that was progressively reduced to levels similar to those of IDHwt tumors. By integrating DNA methylation and gene expression data, adaptive changes of putative master regulators of the cell cycle and of differentiation were seen in IDHmut recurrent tumors. Furthermore, relapses of IDHmut tumors were accompanied by histological progression which in turn influenced survival, as validated in an independent cohort. Finally, the initial cell composition of the tumor microenvironment differed between IDHwt and IDHmut tumors and changed differentially following treatment, suggesting increased neo-angiogenesis and T-cell infiltration upon treatment for IDHmut gliomas. Our study provides one of the largest cohorts of paired glioma samples profiled with epigenomics, transcriptomics and genomics; and our results demonstrate that the treatment of IDHmut gliomas reshapes the epigenome towards an IDHwt-like phenotype. Accordingly, the prevalent practice of early genotoxic treatment in this patient population may need to be revisited.

Abstract Oncogenic extrachromosomal DNA elements (ecDNAs) promote intratumoral heterogeneity, creating a barrier for successful cancer treatments. The underlying mechanisms are poorly understood and studies are hampered in part by a lack of adequate tools enabling studies of ecDNA behavior. Here, we show that single-cell ecDNA copy numbers follow a Gaussian distribution across tumor cells in vitro and in patient glioblastoma specimens, suggesting uneven ecDNA segregation during mitosis. We established a CRISPR-based approach which leverages unique ecDNA breakpoint sequences to tag ecDNA with fluorescent markers in living cells. Applying this method during mitosis revealed disjointed ecDNA inheritance patterns, providing an explanation for rapid ecDNA accumulation in cancer. Post-mitosis, ecDNAs tended to cluster and clustered ecDNAs colocalized with RNA polymerase II, promoting transcription of cargo oncogenes. Our observations provide direct evidence for uneven segregation of ecDNA and shed new lights of mechanisms through which ecDNAs contribute to oncogenesis.

Background: The underlying biological mechanisms through which epidemiologically defined breast cancer risk factors contribute to disease risk remain poorly understood. Identification of the molecular changes associated with cancer risk factors in normal tissues may aid in determining the earliest events of carcinogenesis and informing cancer prevention strategies. Results: Here we investigated the impact cancer risk factors have on the normal breast epigenome by analyzing DNA methylation genome-wide (Infinium 450K array) in cancer-free women from the Susan G. Komen Tissue Bank (n = 100). We tested the relation of established breast cancer risk factors: age, body mass index, parity, and family history of disease with DNA methylation adjusting for potential variation in cell-type proportions. We identified 787 CpG sites that demonstrated significant associations (Q-value < 0.01) with subject age. Notably, DNA methylation was not strongly associated with the other evaluated breast cancer risk factors. Age-related DNA methylation changes are primarily increases in methylation enriched at breast epithelial cell enhancer regions (P = 7.1E-20), and binding sites of chromatin remodelers (MYC and CTCF). We validated the age-related associations in two independent populations of normal breast tissue (n = 18) and normal-adjacent to tumor tissue (n = 97). The genomic regions classified as age-related were more likely to be regions altered in cancer in both pre-invasive (n = 40, P=3.0E-03) and invasive breast tumors (n = 731, P=1.1E-13). Conclusions: DNA methylation changes with age occur at regulatory regions, and are further exacerbated in cancer suggesting that age influences breast cancer risk in part through its contribution to epigenetic dysregulation in normal breast tissue.

Intratumoral heterogeneity is a hallmark of diffuse gliomas. We used neuronavigation to acquire 133 image-guided and spatially-separated stereotactic biopsy samples from 16 adult patients with a diffuse glioma, which we characterized using DNA methylation arrays. Samples were obtained from regions with and without imaging abnormalities. Methylation profiles were analyzed to devise a three-dimensional reconstruction of genetic and epigenetic heterogeneity. Molecular aberrations indicated that tumor was found outside imaging abnormalities, underlining the infiltrative nature of this tumor and the limitations of current routine imaging modalities. We demonstrate that tumor purity is highly variable between samples and largely explains apparent epigenetic spatial heterogeneity. Indeed, we observed that DNA methylation subtypes are highly conserved in space after adjusting for tumor purity. Genome-wide heterogeneity analysis showed equal or increased heterogeneity among normal tissue when compared to tumor. These findings were validated in a separate cohort of 61 multi-sector tumor and 64 normal samples. Our findings underscore the infiltrative nature of diffuse gliomas and suggest that heterogeneity in DNA methylation is innate to somatic cells and not a characteristic feature of this tumor type.

5-hydroxymethylcytosine (5hmC) is generated by oxidation of 5-methylcytosine (5mC), however little is understood regarding the distribution and functions of 5hmC in mammalian cells. We determined the genome-wide distribution of 5hmC and 5mC in normal breast tissue from disease-free women. Although less abundant than 5mC, 5hmC is differentially distributed, and consistently enriched among breast-specific enhancers and transcriptionally active chromatin. In contrast, regulatory regions associated with transcriptional inactivity were relatively depleted of 5hmC. Gene regions containing abundant 5hmC were significantly associated with lactate oxidation, immune cell function, and prolactin signaling pathways. In independent data sets, normal breast tissue 5hmC was significantly enriched among CpG loci demonstrated to have altered methylation in pre-invasive breast cancer and invasive breast tumors. Our findings provide a genome-wide map of nucleotide-level 5hmC in normal breast tissue and demonstrate that 5hmC is positioned to contribute to gene regulatory functions which protect against carcinogenesis.