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.

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.

Purpose Recent genomic approaches have suggested the existence of multiple distinct subtypes of medulloblastoma. We studied a large cohort of medulloblastomas to determine how many subgroups of the disease exist, how they differ, and the extent of overlap between subgroups. Methods We determined gene expression profiles and DNA copy number aberrations for 103 primary medulloblastomas. Bioinformatic tools were used for class discovery of medulloblastoma subgroups based on the most informative genes in the data set. Immunohistochemistry for subgroup-specific signature genes was used to determine subgroup affiliation for 294 nonoverlapping medulloblastomas on two independent tissue microarrays. Results Multiple unsupervised analyses of transcriptional profiles identified the following four distinct, nonoverlapping molecular variants: WNT, SHH, group C, and group D. Supervised analysis of these four subgroups revealed significant subgroup-specific demographics, histology, metastatic status, and DNA copy number aberrations. Immunohistochemistry for DKK1 (WNT), SFRP1 (SHH), NPR3 (group C), and KCNA1 (group D) could reliably and uniquely classify formalin-fixed medulloblastomas in approximately 98% of patients. Group C patients (NPR3-positive tumors) exhibited a significantly diminished progression-free and overall survival irrespective of their metastatic status. Conclusion Our integrative genomics approach to a large cohort of medulloblastomas has identified four disparate subgroups with distinct demographics, clinical presentation, transcriptional profiles, genetic abnormalities, and clinical outcome. Medulloblastomas can be reliably assigned to subgroups through immunohistochemistry, thereby making medulloblastoma subclassification widely available. Future research on medulloblastoma and the development of clinical trials should take into consideration these four distinct types of medulloblastoma.

Summary

 Ependymal tumors across age groups are currently classified and graded solely by histopathology. It is, however, commonly accepted that this classification scheme has limited clinical utility based on its lack of reproducibility in predicting patients' outcome. We aimed at establishing a uniform molecular classification using DNA methylation profiling. Nine molecular subgroups were identified in a large cohort of 500 tumors, 3 in each anatomical compartment of the CNS, spine, posterior fossa, supratentorial. Two supratentorial subgroups are characterized by prototypic fusion genes involving RELA and YAP1, respectively. Regarding clinical associations, the molecular classification proposed herein outperforms the current histopathological classification and thus might serve as a basis for the next World Health Organization classification of CNS tumors.

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.

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.