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.

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.

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.

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.