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.

Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

We conducted the largest investigation of predisposition variants in cancer to date, discovering 853 pathogenic or likely pathogenic variants in 8% of 10,389 cases from 33 cancer types. Twenty-one genes showed single or cross-cancer associations, including novel associations of SDHA in melanoma and PALB2 in stomach adenocarcinoma. The 659 predisposition variants and 18 additional large deletions in tumor suppressors, including ATM, BRCA1, and NF1, showed low gene expression and frequent (43%) loss of heterozygosity or biallelic two-hit events. We also discovered 33 such variants in oncogenes, including missenses in MET, RET, and PTPN11 associated with high gene expression. We nominated 47 additional predisposition variants from prioritized VUSs supported by multiple evidences involving case-control frequency, loss of heterozygosity, expression effect, and co-localization with mutations and modified residues. Our integrative approach links rare predisposition variants to functional consequences, informing future guidelines of variant classification and germline genetic testing in cancer.

We analyzed molecular data on 2,579 tumors from The Cancer Genome Atlas (TCGA) of four gynecological types plus breast. Our aims were to identify shared and unique molecular features, clinically significant subtypes, and potential therapeutic targets. We found 61 somatic copy-number alterations (SCNAs) and 46 significantly mutated genes (SMGs). Eleven SCNAs and 11 SMGs had not been identified in previous TCGA studies of the individual tumor types. We found functionally significant estrogen receptor-regulated long non-coding RNAs (lncRNAs) and gene/lncRNA interaction networks. Pathway analysis identified subtypes with high leukocyte infiltration, raising potential implications for immunotherapy. Using 16 key molecular features, we identified five prognostic subtypes and developed a decision tree that classified patients into the subtypes based on just six features that are assessable in clinical laboratories.

Recently, we described a machine learning approach for classification of central nervous system tumors based on the analysis of genome-wide DNA methylation patterns [6]. Here, we report on DNA methylation-based central nervous system (CNS) tumor diagnostics conducted in our institution between the years 2015 and 2018. In this period, more than 1000 tumors from the neurosurgical departments in Heidelberg and Mannheim and more than 1000 tumors referred from external institutions were subjected to DNA methylation analysis for diagnostic purposes. We describe our current approach to the integrated diagnosis of CNS tumors with a focus on constellations with conflicts between morphological and molecular genetic findings. We further describe the benefit of integrating DNA copy-number alterations into diagnostic considerations and provide a catalog of copy-number changes for individual DNA methylation classes. We also point to several pitfalls accompanying the diagnostic implementation of DNA methylation profiling and give practical suggestions for recurring diagnostic scenarios.

This integrated, multiplatform PanCancer Atlas study co-mapped and identified distinguishing molecular features of squamous cell carcinomas (SCCs) from five sites associated with smoking and/or human papillomavirus (HPV). SCCs harbor 3q, 5p, and other recurrent chromosomal copy-number alterations (CNAs), DNA mutations, and/or aberrant methylation of genes and microRNAs, which are correlated with the expression of multi-gene programs linked to squamous cell stemness, epithelial-to-mesenchymal differentiation, growth, genomic integrity, oxidative damage, death, and inflammation. Low-CNA SCCs tended to be HPV(+) and display hypermethylation with repression of TET1 demethylase and FANCF, previously linked to predisposition to SCC, or harbor mutations affecting CASP8, RAS-MAPK pathways, chromatin modifiers, and immunoregulatory molecules. We uncovered hypomethylation of the alternative promoter that drives expression of the ΔNp63 oncogene and embedded miR944. Co-expression of immune checkpoint, T-regulatory, and Myeloid suppressor cells signatures may explain reduced efficacy of immune therapy. These findings support possibilities for molecular classification and therapeutic approaches.

ABSTRACT Meningiomas are the most frequent primary intracranial tumors. They can follow a wide clinical spectrum from benign to highly aggressive clinical course. No specific therapy exists for refractory cases or cases not amenable to resection and radiotherapy. Identification of risk of recurrence and malignant transformation for the individual patients is challenging. However, promising molecular markers and prognostic subgrouping by DNA methylation are emerging. Still, the biological underpinnings of these diagnostic subgroups are elusive, and, consequently, no novel therapeutic options arise thereof. Here we establish robust subgroups across the full landscape of meningiomas, consistent through DNA methylation, mutations, the transcriptomic, proteomic and phospho-proteomic level. Pronounced proliferative stress and DNA damage repair signals in malignant cells and in clusters exclusive to recurrent tumors are in line with their higher mitotic activity, but also provide an explanation for the accumulation of genomic instability in anaplastic meningiomas. Although homozygous deletion of CDKN2A/B is a diagnostic marker of high-grade meningioma, the expression of its gene product increased from low to non-deleted high-grade cases. Differences between subgroups in lymphocyte and myeloid cell infiltration, representing a majority of tumor mass in low-grade NF2 tumors, could be assigned to cluster-specific interaction with tumor cells. Activation to a more proinflammatory phenotype and decreased infiltration of myeloid cells in high-grade cases correlated with lower expression of CSF1 , located on chromosome arm 1p, whose deletion is known as prognostic marker, with no proposed mechanism before. Our results demonstrate a robust molecular subclassification of a tumor type across multiple layers, provide insight into heterogeneous growth dynamics despite shared pathognomonic mutations, and highlight immune infiltration modulation as a novel target for meningioma therapy.

Abstract Merkel cell carcinoma (MCC) is an aggressive skin cancer frequently caused by genomic integration of the Merkel cell polyomavirus (MCPyV). MCPyV‐negative cases often present as combined MCCs, which represent a distinctive subset of tumors characterized by association of an MCC with a second tumor component, mostly squamous cell carcinoma. Up to now, only exceptional cases of combined MCC with neuroblastic differentiation have been reported. Herein we describe two additional combined MCCs with neuroblastic differentiation and provide comprehensive morphologic, immunohistochemical, transcriptomic, genetic and epigenetic characterization of these tumors, which both arose in elderly men and appeared as an isolated inguinal adenopathy. Microscopic examination revealed biphasic tumors combining a poorly differentiated high‐grade carcinoma with a poorly differentiated neuroblastic component lacking signs of proliferation. Immunohistochemical investigation revealed keratin 20 and MCPyV T antigen (TA) in the MCC parts, while neuroblastic differentiation was confirmed in the other component in both cases. A clonal relation of the two components can be deduced from 20 and 14 shared acquired point mutations detected by whole exome analysis in both combined tumors, respectively. Spatial transcriptomics demonstrated a lower expression of stem cell marker genes such as SOX2 and MCM2 in the neuroblastic component. Interestingly, although the neuroblastic part lacked TA expression, the same genomic MCPyV integration and the same large T‐truncating mutations were observed in both tumor parts. Given that neuronal transdifferentiation upon TA repression has been reported for MCC cell lines, the most likely scenario for the two combined MCC/neuroblastic tumors is that neuroblastic transdifferentiation resulted from loss of TA expression in a subset of MCC cells. Indeed, DNA methylation profiling suggests an MCC‐typical cellular origin for the combined MCC/neuroblastomas. © 2024 The Author(s). The Journal of Pathology published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of The Pathological Society of Great Britain and Ireland.

Abstract Background Malignant astrocytic gliomas in children show a remarkable biological and clinical diversity. Small in-frame insertions or missense mutations in the EGFR gene have recently been identified in a distinct subset of pediatric bithalamic gliomas with a unique DNA methylation pattern. Methods Here, we investigated an epigenetically homogeneous cohort of malignant gliomas (n=58) distinct from other subtypes and enriched for pediatric cases and thalamic location, in order to elucidate the overlap with this recently identified subtype of pediatric bithalamic gliomas. Results EGFR gene amplification was detected in 16/58 (27%) tumors, and missense mutations or small in-frame insertions in EGFR were found in 20/30 tumors with available sequencing data (67%; five of them co-occurring with EGFR amplification). Additionally, eight of the 30 tumors (27%) harbored an H3.1 or H3.3 K27M mutation (six of them with a concomitant EGFR alteration). All tumors tested showed loss of H3K27me3 staining, with evidence of EZHIP overexpression in the H3 wildtype cases. Although some tumors indeed showed a bithalamic growth pattern, a significant proportion of tumors occurred in the unilateral thalamus or in other (predominantly midline) locations. Conclusions Our findings present a distinct molecular class of pediatric malignant gliomas largely overlapping with the recently reported bithalamic gliomas characterized by EGFR alteration, but additionally showing a broader spectrum of EGFR alterations and tumor localization. Global H3K27me3 loss in this group appears to be mediated by either H3 K27 mutation or EZHIP overexpression. EGFR inhibition may represent a potential therapeutic strategy in these highly aggressive gliomas. Key points This study confirms a distinct new subset of pediatric diffuse midline glioma with H3K27me3 loss, with or without H3 K27 mutation The poor outcome of these tumors is in line with the broader family of pediatric diffuse midline gliomas with H3 K27 mutation or EZHIP overexpression Frequent EGFR alterations in these tumors may represent a therapeutic target in this subset Importance of the Study Malignant astrocytic gliomas in children show a remarkable biological and clinical diversity. Here, we highlight a distinct molecular class of pediatric malignant gliomas characterized by EGFR alteration and global H3K27me3 loss that appears to be mediated by either H3 K27 mutation or EZHIP overexpression. EGFR inhibition may represent a potential therapeutic strategy in these highly aggressive gliomas.