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.

Pediatric glioblastomas (GBM) including diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPG) are devastating brain tumors with no effective therapy. Here, we investigated clinical and biological impacts of histone H3.3 mutations. Forty-two DIPGs were tested for H3.3 mutations. Wild-type versus mutated (K27M-H3.3) subgroups were compared for HIST1H3B, IDH, ATRX and TP53 mutations, copy number alterations and clinical outcome. K27M-H3.3 occurred in 71 %, TP53 mutations in 77 % and ATRX mutations in 9 % of DIPGs. ATRX mutations were more frequent in older children (p < 0.0001). No G34V/R-H3.3, IDH1/2 or H3.1 mutations were identified. K27M-H3.3 DIPGs showed specific copy number changes, including all gains/amplifications of PDGFRA and MYC/PVT1 loci. Notably, all long-term survivors were H3.3 wild type and this group of patients had better overall survival. K27M-H3.3 mutation defines clinically and biologically distinct subgroups and is prevalent in DIPG, which will impact future therapeutic trial design. K27M- and G34V-H3.3 have location-based incidence (brainstem/cortex) and potentially play distinct roles in pediatric GBM pathogenesis. K27M-H3.3 is universally associated with short survival in DIPG, while patients wild-type for H3.3 show improved survival. Based on prognostic and therapeutic implications, our findings argue for H3.3-mutation testing at diagnosis, which should be rapidly integrated into the clinical decision-making algorithm, particularly in atypical DIPG.

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.

Nada Jabado and colleagues report identification of gain-of-function mutations in ACVR1, which encodes activin A receptor type I, in midline pediatric high-grade astrocytomas. Pediatric midline high-grade astrocytomas (mHGAs) are incurable with few treatment targets identified. Most tumors harbor mutations encoding p.Lys27Met in histone H3 variants. In 40 treatment-naive mHGAs, 39 analyzed by whole-exome sequencing, we find additional somatic mutations specific to tumor location. Gain-of-function mutations in ACVR1 occur in tumors of the pons in conjunction with histone H3.1 p.Lys27Met substitution, whereas FGFR1 mutations or fusions occur in thalamic tumors associated with histone H3.3 p.Lys27Met substitution. Hyperactivation of the bone morphogenetic protein (BMP)-ACVR1 developmental pathway in mHGAs harboring ACVR1 mutations led to increased levels of phosphorylated SMAD1, SMAD5 and SMAD8 and upregulation of BMP downstream early-response genes in tumor cells. Global DNA methylation profiles were significantly associated with the p.Lys27Met alteration, regardless of the mutant histone H3 variant and irrespective of tumor location, supporting the role of this substitution in driving the epigenetic phenotype. This work considerably expands the number of potential treatment targets and further justifies pretreatment biopsy in pediatric mHGA as a means to orient therapeutic efforts in this disease.

Abstract Lys-27-Met mutations in histone 3 genes (H3K27M) characterize a subgroup of deadly gliomas and decrease genome-wide H3K27 trimethylation. Here we use primary H3K27M tumor lines and isogenic CRISPR-edited controls to assess H3K27M effects in vitro and in vivo. We find that whereas H3K27me3 and H3K27me2 are normally deposited by PRC2 across broad regions, their deposition is severely reduced in H3.3K27M cells. H3K27me3 is unable to spread from large unmethylated CpG islands, while H3K27me2 can be deposited outside these PRC2 high-affinity sites but to levels corresponding to H3K27me3 deposition in wild-type cells. Our findings indicate that PRC2 recruitment and propagation on chromatin are seemingly unaffected by K27M, which mostly impairs spread of the repressive marks it catalyzes, especially H3K27me3. Genome-wide loss of H3K27me3 and me2 deposition has limited transcriptomic consequences, preferentially affecting lowly-expressed genes regulating neurogenesis. Removal of H3K27M restores H3K27me2/me3 spread, impairs cell proliferation, and completely abolishes their capacity to form tumors in mice.

Recurrent mutations affecting the histone H3.3 residues Lys27 or indirectly Lys36 are frequent drivers of pediatric high-grade gliomas (over 30% of HGGs). To identify additional driver mutations in HGGs, we investigated a cohort of 60 pediatric HGGs using whole-exome sequencing (WES) and compared them to 543 exomes from non-cancer control samples. We identified mutations in SETD2, a H3K36 trimethyltransferase, in 15% of pediatric HGGs, a result that was genome-wide significant (FDR = 0.029). Most SETD2 alterations were truncating mutations. Sequencing the gene in this cohort and another validation cohort (123 gliomas from all ages and grades) showed SETD2 mutations to be specific to high-grade tumors affecting 15% of pediatric HGGs (11/73) and 8% of adult HGGs (5/65) while no SETD2 mutations were identified in low-grade diffuse gliomas (0/45). Furthermore, SETD2 mutations were mutually exclusive with H3F3A mutations in HGGs (P = 0.0492) while they partly overlapped with IDH1 mutations (4/14), and SETD2-mutant tumors were found exclusively in the cerebral hemispheres (P = 0.0055). SETD2 is the only H3K36 trimethyltransferase in humans, and SETD2-mutant tumors showed a substantial decrease in H3K36me3 levels (P < 0.001), indicating that the mutations are loss-of-function. These data suggest that loss-of-function SETD2 mutations occur in older children and young adults and are specific to HGG of the cerebral cortex, similar to the H3.3 G34R/V and IDH mutations. Taken together, our results suggest that mutations disrupting the histone code at H3K36, including H3.3 G34R/V, IDH1 and/or SETD2 mutations, are central to the genesis of hemispheric HGGs in older children and young adults.

Abstract Diffuse Intrinsic Pontine Gliomas (DIPGs) are deadly paediatric brain tumours where needle biopsies help guide diagnosis and targeted therapies. To address spatial heterogeneity, here we analyse 134 specimens from various neuroanatomical structures of whole autopsy brains from nine DIPG patients. Evolutionary reconstruction indicates histone 3 (H3) K27M—including H3.2K27M—mutations potentially arise first and are invariably associated with specific, high-fidelity obligate partners throughout the tumour and its spread, from diagnosis to end-stage disease, suggesting mutual need for tumorigenesis. These H3K27M ubiquitously-associated mutations involve alterations in TP53 cell-cycle ( TP53/PPM1D ) or specific growth factor pathways ( ACVR1/PIK3R1 ). Later oncogenic alterations arise in sub-clones and often affect the PI3K pathway. Our findings are consistent with early tumour spread outside the brainstem including the cerebrum. The spatial and temporal homogeneity of main driver mutations in DIPG implies they will be captured by limited biopsies and emphasizes the need to develop therapies specifically targeting obligate oncohistone partnerships.