Diffuse low-grade and intermediate-grade gliomas (which together make up the lower-grade gliomas, World Health Organization grades II and III) have highly variable clinical behavior that is not adequately predicted on the basis of histologic class. Some are indolent; others quickly progress to glioblastoma. The uncertainty is compounded by interobserver variability in histologic diagnosis. Mutations in IDH, TP53, and ATRX and codeletion of chromosome arms 1p and 19q (1p/19q codeletion) have been implicated as clinically relevant markers of lower-grade gliomas.

Accurate pathological diagnosis is crucial for optimal management of patients with cancer. For the approximately 100 known tumour types of the central nervous system, standardization of the diagnostic process has been shown to be particularly challenging-with substantial inter-observer variability in the histopathological diagnosis of many tumour types. Here we present a comprehensive approach for the DNA methylation-based classification of central nervous system tumours across all entities and age groups, and demonstrate its application in a routine diagnostic setting. We show that the availability of this method may have a substantial impact on diagnostic precision compared to standard methods, resulting in a change of diagnosis in up to 12% of prospective cases. For broader accessibility, we have designed a free online classifier tool, the use of which does not require any additional onsite data processing. Our results provide a blueprint for the generation of machine-learning-based tumour classifiers across other cancer entities, with the potential to fundamentally transform tumour pathology.

Glioblastoma (GBM) is a brain tumor that carries a dismal prognosis and displays considerable heterogeneity. We have recently identified recurrent H3F3A mutations affecting two critical amino acids (K27 and G34) of histone H3.3 in one-third of pediatric GBM. Here, we show that each H3F3A mutation defines an epigenetic subgroup of GBM with a distinct global methylation pattern, and that they are mutually exclusive with IDH1 mutations, which characterize a third mutation-defined subgroup. Three further epigenetic subgroups were enriched for hallmark genetic events of adult GBM and/or established transcriptomic signatures. We also demonstrate that the two H3F3A mutations give rise to GBMs in separate anatomic compartments, with differential regulation of transcription factors OLIG1, OLIG2, and FOXG1, possibly reflecting different cellular origins.

Activation of the aryl hydrocarbon receptor (AHR) by environmental xenobiotic toxic chemicals, for instance 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (dioxin), has been implicated in a variety of cellular processes such as embryogenesis, transformation, tumorigenesis and inflammation. But the identity of an endogenous ligand activating the AHR under physiological conditions in the absence of environmental toxic chemicals is still unknown. Here we identify the tryptophan (Trp) catabolite kynurenine (Kyn) as an endogenous ligand of the human AHR that is constitutively generated by human tumour cells via tryptophan-2,3-dioxygenase (TDO), a liver- and neuron-derived Trp-degrading enzyme not yet implicated in cancer biology. TDO-derived Kyn suppresses antitumour immune responses and promotes tumour-cell survival and motility through the AHR in an autocrine/paracrine fashion. The TDO–AHR pathway is active in human brain tumours and is associated with malignant progression and poor survival. Because Kyn is produced during cancer progression and inflammation in the local microenvironment in amounts sufficient for activating the human AHR, these results provide evidence for a previously unidentified pathophysiological function of the AHR with profound implications for cancer and immune biology. The tryptophan catabolite kynurenine (Kyn) and tryptophan degradation by indoleamine-2,3-dioxygenases have previously been implicated in suppressing an antitumour immune response. Michael Platten and colleagues now identify tryptophan-2,3-dioxygenase (TDO) as the enzyme expressed in gliomas and other cancers that converts tryptophan to Kyn. Kyn is an endogenous ligand for the aryl hydrocarbon receptor (AHR), acting directly on glioma cells to promote tumorigenesis. TDO expression in cancer cells also suppresses an AHR-mediated immune response. In human glioblastomas, the expression of TDO and AHR-regulated genes are associated with more advanced stages and poorer clinical outcome.

Somatic mutations in the IDH1 gene encoding cytosolic NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase have been shown in the majority of astrocytomas, oligodendrogliomas and oligoastrocytomas of WHO grades II and III. IDH2 encoding mitochondrial NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase is also mutated in these tumors, albeit at much lower frequencies. Preliminary data suggest an importance of IDH1 mutation for prognosis showing that patients with anaplastic astrocytomas, oligodendrogliomas and oligoastrocytomas harboring IDH1 mutations seem to fare much better than patients without this mutation in their tumors. To determine mutation types and their frequencies, we examined 1,010 diffuse gliomas. We detected 716 IDH1 mutations and 31 IDH2 mutations. We found 165 IDH1 (72.7%) and 2 IDH2 mutations (0.9%) in 227 diffuse astrocytomas WHO grade II, 146 IDH1 (64.0%) and 2 IDH2 mutations (0.9%) in 228 anaplastic astrocytomas WHO grade III, 105 IDH1 (82.0%) and 6 IDH2 mutations (4.7%) in 128 oligodendrogliomas WHO grade II, 121 IDH1 (69.5%) and 9 IDH2 mutations (5.2%) in 174 anaplastic oligodendrogliomas WHO grade III, 62 IDH1 (81.6%) and 1 IDH2 mutations (1.3%) in 76 oligoastrocytomas WHO grade II and 117 IDH1 (66.1%) and 11 IDH2 mutations (6.2%) in 177 anaplastic oligoastrocytomas WHO grade III. We report on an inverse association of IDH1 and IDH2 mutations in these gliomas and a non-random distribution of the mutation types within the tumor entities. IDH1 mutations of the R132C type are strongly associated with astrocytoma, while IDH2 mutations predominantly occur in oligodendroglial tumors. In addition, patients with anaplastic glioma harboring IDH1 mutations were on average 6 years younger than those without these alterations.

Summary

 Ependymal tumors across age groups are currently classified and graded solely by histopathology. It is, however, commonly accepted that this classification scheme has limited clinical utility based on its lack of reproducibility in predicting patients' outcome. We aimed at establishing a uniform molecular classification using DNA methylation profiling. Nine molecular subgroups were identified in a large cohort of 500 tumors, 3 in each anatomical compartment of the CNS, spine, posterior fossa, supratentorial. Two supratentorial subgroups are characterized by prototypic fusion genes involving RELA and YAP1, respectively. Regarding clinical associations, the molecular classification proposed herein outperforms the current histopathological classification and thus might serve as a basis for the next World Health Organization classification of CNS tumors.