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.

Abstract Pan-cancer analyses that examine commonalities and differences among various cancer types have emerged as a powerful way to obtain novel insights into cancer biology. Here we present a comprehensive analysis of genetic alterations in a pan-cancer cohort including 961 tumours from children, adolescents, and young adults, comprising 24 distinct molecular types of cancer. Using a standardized workflow, we identified marked differences in terms of mutation frequency and significantly mutated genes in comparison to previously analysed adult cancers. Genetic alterations in 149 putative cancer driver genes separate the tumours into two classes: small mutation and structural/copy-number variant (correlating with germline variants). Structural variants, hyperdiploidy, and chromothripsis are linked to TP53 mutation status and mutational signatures. Our data suggest that 7–8% of the children in this cohort carry an unambiguous predisposing germline variant and that nearly 50% of paediatric neoplasms harbour a potentially druggable event, which is highly relevant for the design of future clinical trials.

Detlef Weigel and colleagues report results from the first phase of the Arabidopsis 1001 Genomes Project, based on short-read sequencing of 80 geographically diverse strains. This collection of strains has been made available to the scientific community, and the authors show that the identified polymorphisms in these strains can be useful for imputation and genome-wide association studies. The plant Arabidopsis thaliana occurs naturally in many different habitats throughout Eurasia. As a foundation for identifying genetic variation contributing to adaptation to diverse environments, a 1001 Genomes Project to sequence geographically diverse A. thaliana strains has been initiated. Here we present the first phase of this project, based on population-scale sequencing of 80 strains drawn from eight regions throughout the species' native range. We describe the majority of common small-scale polymorphisms as well as many larger insertions and deletions in the A. thaliana pan-genome, their effects on gene function, and the patterns of local and global linkage among these variants. The action of processes other than spontaneous mutation is identified by comparing the spectrum of mutations that have accumulated since A. thaliana diverged from its closest relative 10 million years ago with the spectrum observed in the laboratory. Recent species-wide selective sweeps are rare, and potentially deleterious mutations are more common in marginal populations.

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.

Genomic rearrangements are thought to occur progressively during tumor development. Recent findings, however, suggest an alternative mechanism, involving massive chromosome rearrangements in a one-step catastrophic event termed chromothripsis. We report the whole-genome sequencing-based analysis of a Sonic-Hedgehog medulloblastoma (SHH-MB) brain tumor from a patient with a germline TP53 mutation (Li-Fraumeni syndrome), uncovering massive, complex chromosome rearrangements. Integrating TP53 status with microarray and deep sequencing-based DNA rearrangement data in additional patients reveals a striking association between TP53 mutation and chromothripsis in SHH-MBs. Analysis of additional tumor entities substantiates a link between TP53 mutation and chromothripsis, and indicates a context-specific role for p53 in catastrophic DNA rearrangements. Among these, we observed a strong association between somatic TP53 mutations and chromothripsis in acute myeloid leukemia. These findings connect p53 status and chromothripsis in specific tumor types, providing a genetic basis for understanding particularly aggressive subtypes of cancer.

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.

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.

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.

Ependymomas are common childhood brain tumours that occur throughout the nervous system, but are most common in the paediatric hindbrain. Current standard therapy comprises surgery and radiation, but not cytotoxic chemotherapy as it does not further increase survival. Whole-genome and whole-exome sequencing of 47 hindbrain ependymomas reveals an extremely low mutation rate, and zero significant recurrent somatic single nucleotide variants. Although devoid of recurrent single nucleotide variants and focal copy number aberrations, poor-prognosis hindbrain ependymomas exhibit a CpG island methylator phenotype. Transcriptional silencing driven by CpG methylation converges exclusively on targets of the Polycomb repressive complex 2 which represses expression of differentiation genes through trimethylation of H3K27. CpG island methylator phenotype-positive hindbrain ependymomas are responsive to clinical drugs that target either DNA or H3K27 methylation both in vitro and in vivo. We conclude that epigenetic modifiers are the first rational therapeutic candidates for this deadly malignancy, which is epigenetically deregulated but genetically bland. Although genetically bland, the posterior fossa group A subgroup of ependymomas, found often in infants and associated with poor prognosis, exhibit widespread epigenetic alterations, namely a CpG island methylator phenotype; these tumours are shown to be susceptible both in vitro and in vivo to various compounds that target epigenetic modifications, such as DNA methylation and H3K27 tri-methylation. In this issue of Nature two groups present independent genomic analyses on ependymomas, a type of tumour that occurs throughout the nervous system, but most commonly in the hindbrain in children. Mack et al. found a low overall mutation rate and no significant recurrent mutations in 47 hindbrain ependymomas. But posterior fossa group B tumours, a subgroup found predominantly in infants and associated with poor prognosis, were distinguished by a CpG island methylator phenotype. This subgroup is shown to be susceptible to various compounds that target epigenetic modifications, including an EZH2 inhibitor that showed efficacy in a mouse xenograft model. Parker et al. found the C11orf95–RELA fusion gene in about 70% of supratentorial tumours, but not in other ependymoma subgroups. The gene fusions arise through chromothripsis and lead to the expression of a fusion protein that constitutively activates NF-κB signalling. In a mouse model, expression of C11orf95–RELA in neural stem cells leads to the formation of brain tumours. These findings identify NF-κB signalling as a possible therapeutic target in patients with this type of ependymoma.

Despite the histological similarity of ependymomas from throughout the neuroaxis, the disease likely comprises multiple independent entities, each with a distinct molecular pathogenesis. Transcriptional profiling of two large independent cohorts of ependymoma reveals the existence of two demographically, transcriptionally, genetically, and clinically distinct groups of posterior fossa (PF) ependymomas. Group A patients are younger, have laterally located tumors with a balanced genome, and are much more likely to exhibit recurrence, metastasis at recurrence, and death compared with Group B patients. Identification and optimization of immunohistochemical (IHC) markers for PF ependymoma subgroups allowed validation of our findings on a third independent cohort, using a human ependymoma tissue microarray, and provides a tool for prospective prognostication and stratification of PF ependymoma patients.