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.

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.

Andrew Futreal and colleagues report inactivating somatic mutations in the histone lysine demethylase gene UTX in human cancers, including multiple myelomas, esophageal squamous carcinomas, renal clear cell carcinomas, acute and chronic myeloid leukemias, breast and colorectal cancers and glioblastomas, identifying UTX as a new tumor suppressor gene. Somatically acquired epigenetic changes are present in many cancers. Epigenetic regulation is maintained via post-translational modifications of core histones. Here, we describe inactivating somatic mutations in the histone lysine demethylase gene UTX, pointing to histone H3 lysine methylation deregulation in multiple tumor types. UTX reintroduction into cancer cells with inactivating UTX mutations resulted in slowing of proliferation and marked transcriptional changes. These data identify UTX as a new human cancer gene.

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.

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.

Background The WHO classification of brain tumours describes 15 subtypes of meningioma. Nine of these subtypes are allotted to WHO grade I, and three each to grade II and grade III. Grading is based solely on histology, with an absence of molecular markers. Although the existing classification and grading approach is of prognostic value, it harbours shortcomings such as ill-defined parameters for subtypes and grading criteria prone to arbitrary judgment. In this study, we aimed for a comprehensive characterisation of the entire molecular genetic landscape of meningioma to identify biologically and clinically relevant subgroups. Methods In this multicentre, retrospective analysis, we investigated genome-wide DNA methylation patterns of meningiomas from ten European academic neuro-oncology centres to identify distinct methylation classes of meningiomas. The methylation classes were further characterised by DNA copy number analysis, mutational profiling, and RNA sequencing. Methylation classes were analysed for progression-free survival outcomes by the Kaplan-Meier method. The DNA methylation-based and WHO classification schema were compared using the Brier prediction score, analysed in an independent cohort with WHO grading, progression-free survival, and disease-specific survival data available, collected at the Medical University Vienna (Vienna, Austria), assessing methylation patterns with an alternative methylation chip. Findings We retrospectively collected 497 meningiomas along with 309 samples of other extra-axial skull tumours that might histologically mimic meningioma variants. Unsupervised clustering of DNA methylation data clearly segregated all meningiomas from other skull tumours. We generated genome-wide DNA methylation profiles from all 497 meningioma samples. DNA methylation profiling distinguished six distinct clinically relevant methylation classes associated with typical mutational, cytogenetic, and gene expression patterns. Compared with WHO grading, classification by individual and combined methylation classes more accurately identifies patients at high risk of disease progression in tumours with WHO grade I histology, and patients at lower risk of recurrence among WHO grade II tumours (p=0·0096) from the Brier prediction test). We validated this finding in our independent cohort of 140 patients with meningioma. Interpretation DNA methylation-based meningioma classification captures clinically more homogenous groups and has a higher power for predicting tumour recurrence and prognosis than the WHO classification. The approach presented here is potentially very useful for stratifying meningioma patients to observation-only or adjuvant treatment groups. We consider methylation-based tumour classification highly relevant for the future diagnosis and treatment of meningioma. Funding German Cancer Aid, Else Kröner-Fresenius Foundation, and DKFZ/Heidelberg Institute of Personalized Oncology/Precision Oncology Program.

This study describes genomic rearrangements near the 3' end of the epidermal growth factor receptor (EGFR) gene in eight glioblastomas displaying coamplification and expression of both normal and rearranged EGFR. In four of these cases, it was possible by PCR to amplify tumor EGFR cDNA, which allowed sequence determination of the 3' transcript alterations associated with the rearrangements. Such analysis revealed that the four cases have in common a deletion of 255 bases that encode a portion of the receptor's cytoplasmic domain. The remaining four cases revealed genomic rearrangements in the same region of the gene as those described above and revealed aberrant EGFR transcripts lacking the same 255 bases determined to be missing in the sequenced EGFR cDNAs as well as large regions of contiguous downstream sequences. Therefore, all of the eight cases described here express transcripts that do not encode large C-terminal, intracellular portions of the receptor. In three of the eight cases, the EGFR transcripts displaying a 3' alteration also displayed a 5' inframe deletion of sequences encoding a portion of the extracellular domain, and for one of the corresponding patients it was possible to determine that the two transcript alterations were acquired as separate events. We have now detected the 5' and/or 3' alterations in 21 of 32 cases of glioblastoma with EGFR amplification; no genetic alterations have been detected in glioblastomas without EGFR amplification. In combination with previously published reports, these data suggest the in vivo evolution of EGFR toward an increasingly oncogenic potential through gene amplification with subsequent and successive gene alterations.