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.

Suzanne Baker, Jinghui Zhang and colleagues report the identification of recurrent somatic mutations in the bone morphogenetic protein (BMP) receptor ACVR1 in 32% of diffuse intrinsic pontine gliomas. Pediatric high-grade glioma (HGG) is a devastating disease with a less than 20% survival rate 2 years after diagnosis1. We analyzed 127 pediatric HGGs, including diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPGs) and non-brainstem HGGs (NBS-HGGs), by whole-genome, whole-exome and/or transcriptome sequencing. We identified recurrent somatic mutations in ACVR1 exclusively in DIPGs (32%), in addition to previously reported frequent somatic mutations in histone H3 genes, TP53 and ATRX, in both DIPGs and NBS-HGGs2,3,4,5. Structural variants generating fusion genes were found in 47% of DIPGs and NBS-HGGs, with recurrent fusions involving the neurotrophin receptor genes NTRK1, NTRK2 and NTRK3 in 40% of NBS-HGGs in infants. Mutations targeting receptor tyrosine kinase–RAS-PI3K signaling, histone modification or chromatin remodeling, and cell cycle regulation were found in 68%, 73% and 59% of pediatric HGGs, respectively, including in DIPGs and NBS-HGGs. This comprehensive analysis provides insights into the unique and shared pathways driving pediatric HGG within and outside the brainstem.

Primitive neuroectodermal tumors of the central nervous system (CNS-PNETs) are highly aggressive, poorly differentiated embryonal tumors occurring predominantly in young children but also affecting adolescents and adults. Herein, we demonstrate that a significant proportion of institutionally diagnosed CNS-PNETs display molecular profiles indistinguishable from those of various other well-defined CNS tumor entities, facilitating diagnosis and appropriate therapy for patients with these tumors. From the remaining fraction of CNS-PNETs, we identify four new CNS tumor entities, each associated with a recurrent genetic alteration and distinct histopathological and clinical features. These new molecular entities, designated “CNS neuroblastoma with FOXR2 activation (CNS NB-FOXR2),” “CNS Ewing sarcoma family tumor with CIC alteration (CNS EFT-CIC),” “CNS high-grade neuroepithelial tumor with MN1 alteration (CNS HGNET-MN1),” and “CNS high-grade neuroepithelial tumor with BCOR alteration (CNS HGNET-BCOR),” will enable meaningful clinical trials and the development of therapeutic strategies for patients affected by poorly differentiated CNS tumors.

Two recurrent mutations, K27M and G34R/V, within histone variant H3.3 were recently identified in ∼50% of pHGGs. Both mutations define clinically and biologically distinct subgroups of pHGGs. Here, we provide further insight about the dominant-negative effect of K27M mutant H3.3, leading to a global reduction of the repressive histone mark H3K27me3. We demonstrate that this is caused by aberrant recruitment of the PRC2 complex to K27M mutant H3.3 and enzymatic inhibition of the H3K27me3-establishing methyltransferase EZH2. By performing chromatin immunoprecipitation followed by next-generation sequencing and whole-genome bisulfite sequencing in primary pHGGs, we show that reduced H3K27me3 levels and DNA hypomethylation act in concert to activate gene expression in K27M mutant pHGGs.

Two apolipoprotein E (apoE) receptors, the very low density lipoprotein (VLDL) receptor and apoE receptor 2 (apoER2), are also receptors for Reelin, a signaling protein that regulates neuronal migration during brain development. In the adult brain, Reelin is expressed by GABA-ergic interneurons, suggesting a potential function as a modulator of neurotransmission. ApoE receptors have been indirectly implicated in memory and neurodegenerative disorders because their ligand, apoE, is genetically associated with Alzheimer disease. We have used knockout mice to investigate the role of Reelin and its receptors in cognition and synaptic plasticity. Mice lacking either the VLDL receptor or the apoER2 show contextual fear conditioning deficits. VLDL receptor-deficient mice also have a moderate defect in long term potentiation (LTP), and apoER2 knockouts have a pronounced one. The perfusion of mouse hippocampal slices with Reelin has no effect on baseline synaptic transmission but significantly enhances LTP in area CA1. This Reelin-dependent augmentation of LTP is abolished in VLDL receptor and apoER2 knockout mice. Our results reveal a role for Reelin in controlling synaptic plasticity in the adult brain and suggest that both of its receptors are necessary for Reelin-dependent enhancement of synaptic transmission in the hippocampus. Thus, the impairment of apoE receptor-dependent neuromodulation may contribute to cognitive impairment and synaptic loss in Alzheimer disease.

Purpose To define copy number alterations and gene expression signatures underlying pediatric high-grade glioma (HGG). Patients and Methods We conducted a high-resolution analysis of genomic imbalances in 78 de novo pediatric HGGs, including seven diffuse intrinsic pontine gliomas, and 10 HGGs arising in children who received cranial irradiation for a previous cancer using single nucleotide polymorphism microarray analysis. Gene expression was analyzed with gene expression microarrays for 53 tumors. Results were compared with publicly available data from adult tumors. Results Significant differences in copy number alterations distinguish childhood and adult glioblastoma. PDGFRA was the predominant target of focal amplification in childhood HGG, including diffuse intrinsic pontine gliomas, and gene expression analyses supported an important role for deregulated PDGFRα signaling in pediatric HGG. No IDH1 hotspot mutations were found in pediatric tumors, highlighting molecular differences with adult secondary glioblastoma. Pediatric and adult glioblastomas were clearly distinguished by frequent gain of chromosome 1q (30% v 9%, respectively) and lower frequency of chromosome 7 gain (13% v 74%, respectively) and 10q loss (35% v 80%, respectively). PDGFRA amplification and 1q gain occurred at significantly higher frequency in irradiation-induced tumors, suggesting that these are initiating events in childhood gliomagenesis. A subset of pediatric HGGs showed minimal copy number changes. Conclusion Integrated molecular profiling showed substantial differences in the molecular features underlying pediatric and adult HGG, indicating that findings in adult tumors cannot be simply extrapolated to younger patients. PDGFRα may be a useful target for pediatric HGG, including diffuse pontine gliomas.

Cynthia Hawkins, Oren Becher and colleagues report the identification of recurrent mutations in ACVR1 in 20% of diffuse intrinsic pontine gliomas. Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) is a fatal brain cancer that arises in the brainstem of children, with no effective treatment and near 100% fatality. The failure of most therapies can be attributed to the delicate location of these tumors and to the selection of therapies on the basis of assumptions that DIPGs are molecularly similar to adult disease. Recent studies have unraveled the unique genetic makeup of this brain cancer, with nearly 80% found to harbor a p.Lys27Met histone H3.3 or p.Lys27Met histone H3.1 alteration. However, DIPGs are still thought of as one disease, with limited understanding of the genetic drivers of these tumors. To understand what drives DIPGs, we integrated whole-genome sequencing with methylation, expression and copy number profiling, discovering that DIPGs comprise three molecularly distinct subgroups (H3-K27M, silent and MYCN) and uncovering a new recurrent activating mutation affecting the activin receptor gene ACVR1 in 20% of DIPGs. Mutations in ACVR1 were constitutively activating, leading to SMAD phosphorylation and increased expression of the downstream activin signaling targets ID1 and ID2. Our results highlight distinct molecular subgroups and novel therapeutic targets for this incurable pediatric cancer.

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) is the most severe paediatric solid tumour, with no significant therapeutic progress made in the past 50 years. Recent studies suggest that diffuse midline glioma, H3-K27M mutant, may comprise more than one biological entity. The aim of the study was to determine the clinical and biological variables that most impact their prognosis. Ninety-one patients with classically defined DIPG underwent a systematic stereotactic biopsy and were included in this observational retrospective study. Histone H3 genes mutations were assessed by immunochemistry and direct sequencing, whilst global gene expression profiling and chromosomal imbalances were determined by microarrays. A full description of the MRI findings at diagnosis and at relapse was integrated with the molecular profiling data and clinical outcome. All DIPG but one were found to harbour either a somatic H3-K27M mutation and/or loss of H3K27 trimethylation. We also discovered a novel K27M mutation in HIST2H3C, and a lysine-to-isoleucine substitution (K27I) in H3F3A, also creating a loss of trimethylation. Patients with tumours harbouring a K27M mutation in H3.3 (H3F3A) did not respond clinically to radiotherapy as well, relapsed significantly earlier and exhibited more metastatic recurrences than those in H3.1 (HIST1H3B/C). H3.3-K27M-mutated DIPG have a proneural/oligodendroglial phenotype and a pro-metastatic gene expression signature with PDGFRA activation, while H3.1-K27M-mutated tumours exhibit a mesenchymal/astrocytic phenotype and a pro-angiogenic/hypoxic signature supported by expression profiling and radiological findings. H3K27 alterations appear as the founding event in DIPG and the mutations in the two main histone H3 variants drive two distinct oncogenic programmes with potential specific therapeutic targets.

Chris Jones, Jacques Grill and colleagues report the identification of recurrent activating mutations in ACVR1 in diffuse intrinsic pontine gliomas. Diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPGs) are highly infiltrative malignant glial neoplasms of the ventral pons that, due to their location within the brain, are unsuitable for surgical resection and consequently have a universally dismal clinical outcome. The median survival time is 9–12 months, with neither chemotherapeutic nor targeted agents showing substantial survival benefit in clinical trials in children with these tumors1. We report the identification of recurrent activating mutations in the ACVR1 gene, which encodes a type I activin receptor serine/threonine kinase, in 21% of DIPG samples. Strikingly, these somatic mutations (encoding p.Arg206His, p.Arg258Gly, p.Gly328Glu, p.Gly328Val, p.Gly328Trp and p.Gly356Asp substitutions) have not been reported previously in cancer but are identical to mutations found in the germ line of individuals with the congenital childhood developmental disorder fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP)2 and have been shown to constitutively activate the BMP–TGF-β signaling pathway. These mutations represent new targets for therapeutic intervention in this otherwise incurable disease.