Summary

 Diverse genetic, epigenetic, and developmental programs drive glioblastoma, an incurable and poorly understood tumor, but their precise characterization remains challenging. Here, we use an integrative approach spanning single-cell RNA-sequencing of 28 tumors, bulk genetic and expression analysis of 401 specimens from the The Cancer Genome Atlas (TCGA), functional approaches, and single-cell lineage tracing to derive a unified model of cellular states and genetic diversity in glioblastoma. We find that malignant cells in glioblastoma exist in four main cellular states that recapitulate distinct neural cell types, are influenced by the tumor microenvironment, and exhibit plasticity. The relative frequency of cells in each state varies between glioblastoma samples and is influenced by copy number amplifications of the CDK4, EGFR, and PDGFRA loci and by mutations in the NF1 locus, which each favor a defined state. Our work provides a blueprint for glioblastoma, integrating the malignant cell programs, their plasticity, and their modulation by genetic drivers.

Medulloblastoma is the most common malignant brain tumor in childhood. Molecular studies from several groups around the world demonstrated that medulloblastoma is not one disease but comprises a collection of distinct molecular subgroups. However, all these studies reported on different numbers of subgroups. The current consensus is that there are only four core subgroups, which should be termed WNT, SHH, Group 3 and Group 4. Based on this, we performed a meta-analysis of all molecular and clinical data of 550 medulloblastomas brought together from seven independent studies. All cases were analyzed by gene expression profiling and for most cases SNP or array-CGH data were available. Data are presented for all medulloblastomas together and for each subgroup separately. For validation purposes, we compared the results of this meta-analysis with another large medulloblastoma cohort (n = 402) for which subgroup information was obtained by immunohistochemistry. Results from both cohorts are highly similar and show how distinct the molecular subtypes are with respect to their transcriptome, DNA copy-number aberrations, demographics, and survival. Results from these analyses will form the basis for prospective multi-center studies and will have an impact on how the different subgroups of medulloblastoma will be treated in the future.

Medulloblastoma, the most common malignant paediatric brain tumour, is currently treated with nonspecific cytotoxic therapies including surgery, whole-brain radiation, and aggressive chemotherapy. As medulloblastoma exhibits marked intertumoural heterogeneity, with at least four distinct molecular variants, previous attempts to identify targets for therapy have been underpowered because of small samples sizes. Here we report somatic copy number aberrations (SCNAs) in 1,087 unique medulloblastomas. SCNAs are common in medulloblastoma, and are predominantly subgroup-enriched. The most common region of focal copy number gain is a tandem duplication of SNCAIP, a gene associated with Parkinson’s disease, which is exquisitely restricted to Group 4α. Recurrent translocations of PVT1, including PVT1-MYC and PVT1-NDRG1, that arise through chromothripsis are restricted to Group 3. Numerous targetable SCNAs, including recurrent events targeting TGF-β signalling in Group 3, and NF-κB signalling in Group 4, suggest future avenues for rational, targeted therapy. Medulloblastoma is the most common malignant brain tumour in children; having assembled over 1,000 samples the authors report that somatic copy number aberrations are common in medulloblastoma, in particular a tandem duplication of SNCAIP, a gene associated with Parkinson’s disease, which is restricted to subgroup 4α, and translocations of PVT1, which are restricted to Group 3. Medulloblastoma is the most common malignant brain tumour in children. Four papers published in the 2 August 2012 issue of Nature use whole-genome and other sequencing techniques to produce a detailed picture of the genetics and genomics of this condition. Notable findings include the identification of recurrent mutations in genes not previously implicated in medulloblastoma, with significant genetic differences associated with the four biologically distinct subgroups and clinical outcomes in each. Potential avenues for therapy are suggested by the identification of targetable somatic copy-number alterations, including recurrent events targeting TGFβ signalling in Group 3, and NF-κB signalling in Group 4 medulloblastomas.

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.

The cellular composition of H3K27M gliomas Diffuse midline gliomas with histone H3 lysine27-to-methionine mutations (H3K27M-glioma) are an aggressive type of childhood cancer with few options for treatment. Filbin et al. used a single-cell sequencing approach to study the oncogenic programs, genetics, and cellular hierarchies of H3K27M-glioma. Tumors were mainly composed of cells resembling oligodendrocyte precursor cells, whereas differentiated malignant cells were a smaller fraction. In comparison with other gliomas, these cancers had distinct oncogenic programs and stem cell–like profiles that contributed to their stable tumor-propagating potential. The analysis also identified a lineage-specific marker that may be useful in developing therapies. Science , this issue p. 331

cIMPACT-NOW (the Consortium to Inform Molecular and Practical Approaches to CNS Tumor Taxonomy) was established to evaluate and make practical recommendations on recent advances in the field of CNS tumor classification, particularly in light of the rapid progress in molecular insights into these neoplasms. For Round 2 of its deliberations, cIMPACT-NOW Working Committee 3 was reconstituted and convened in Utrecht, The Netherlands, for a meeting designed to review putative new CNS tumor types in advance of any future World Health Organization meeting on CNS tumor classification. In preparatory activities for the meeting and at the actual meeting, a list of possible entities was assembled and each type and subtype debated. Working Committee 3 recommended that a substantial number of newly recognized types and subtypes should be considered for inclusion in future CNS tumor classifications. In addition, the group endorsed a number of principles-relating to classification categories, approaches to classification, nomenclature, and grading-that the group hopes will also inform the future classification of CNS neoplasms.

Medulloblastoma is a malignant childhood cerebellar tumour type that comprises distinct molecular subgroups. Whereas genomic characteristics of these subgroups are well defined, the extent to which cellular diversity underlies their divergent biology and clinical behaviour remains largely unexplored. Here we used single-cell transcriptomics to investigate intra- and intertumoral heterogeneity in 25 medulloblastomas spanning all molecular subgroups. WNT, SHH and Group 3 tumours comprised subgroup-specific undifferentiated and differentiated neuronal-like malignant populations, whereas Group 4 tumours consisted exclusively of differentiated neuronal-like neoplastic cells. SHH tumours closely resembled granule neurons of varying differentiation states that correlated with patient age. Group 3 and Group 4 tumours exhibited a developmental trajectory from primitive progenitor-like to more mature neuronal-like cells, the relative proportions of which distinguished these subgroups. Cross-species transcriptomics defined distinct glutamatergic populations as putative cells-of-origin for SHH and Group 4 subtypes. Collectively, these data provide insights into the cellular and developmental states underlying subtype-specific medulloblastoma biology. Characterization of medulloblastoma tissues using single-cell transcriptomics shows that the different molecular subtypes consist of distinct developmental phenotypes.

Abstract Infant high-grade gliomas appear clinically distinct from their counterparts in older children, indicating that histopathologic grading may not accurately reflect the biology of these tumors. We have collected 241 cases under 4 years of age, and carried out histologic review, methylation profiling, and custom panel, genome, or exome sequencing. After excluding tumors representing other established entities or subgroups, we identified 130 cases to be part of an “intrinsic” spectrum of disease specific to the infant population. These included those with targetable MAPK alterations, and a large proportion of remaining cases harboring gene fusions targeting ALK (n = 31), NTRK1/2/3 (n = 21), ROS1 (n = 9), and MET (n = 4) as their driving alterations, with evidence of efficacy of targeted agents in the clinic. These data strongly support the concept that infant gliomas require a change in diagnostic practice and management. Significance: Infant high-grade gliomas in the cerebral hemispheres comprise novel subgroups, with a prevalence of ALK, NTRK1/2/3, ROS1, or MET gene fusions. Kinase fusion–positive tumors have better outcome and respond to targeted therapy clinically. Other subgroups have poor outcome, with fusion-negative cases possibly representing an epigenetically driven pluripotent stem cell phenotype. See related video: https://vimeo.com/438254885 See related commentary by Szulzewsky and Cimino, p. 904. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 890