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.

Medulloblastomas, a common type of malignant childhood brain tumour, are thought in the main to arise from the cerebellum, many of them involving aberrant signalling of a signalling pathway involving Sonic Hedgehog. There is substantial heterogeneity among medulloblastomas, however, and new work shows that a distinct subtype of medulloblastoma arises from the dorsal brainstem and is associated with altered Wnt signalling. Distinct molecular and clinical profiles of the subtypes have implications for future treatment. This suggests that subgroups of medulloblastoma are intrinsically different diseases, so therapeutic strategies may need to be tailored accordingly. Medulloblastomas are the most common malignant childhood brain tumours and are thought to arise from the cerebellum. There is substantial heterogeneity among medulloblastomas and some are thought to arise following aberrant Sonic Hedgehog pathway activation. It is now shown that a distinct subtype of medulloblastoma arises from the dorsal brainstem and is associated with altered WNT signalling. Distinct molecular and clinical profiles of the subtypes have implications for future treatment. Medulloblastoma encompasses a collection of clinically and molecularly diverse tumour subtypes that together comprise the most common malignant childhood brain tumour1,2,3,4. These tumours are thought to arise within the cerebellum, with approximately 25% originating from granule neuron precursor cells (GNPCs) after aberrant activation of the Sonic Hedgehog pathway (hereafter, SHH subtype)3,4,5,6,7,8. The pathological processes that drive heterogeneity among the other medulloblastoma subtypes are not known, hindering the development of much needed new therapies. Here we provide evidence that a discrete subtype of medulloblastoma that contains activating mutations in the WNT pathway effector CTNNB1 (hereafter, WNT subtype)1,3,4 arises outside the cerebellum from cells of the dorsal brainstem. We found that genes marking human WNT-subtype medulloblastomas are more frequently expressed in the lower rhombic lip (LRL) and embryonic dorsal brainstem than in the upper rhombic lip (URL) and developing cerebellum. Magnetic resonance imaging (MRI) and intra-operative reports showed that human WNT-subtype tumours infiltrate the dorsal brainstem, whereas SHH-subtype tumours are located within the cerebellar hemispheres. Activating mutations in Ctnnb1 had little impact on progenitor cell populations in the cerebellum, but caused the abnormal accumulation of cells on the embryonic dorsal brainstem which included aberrantly proliferating Zic1+ precursor cells. These lesions persisted in all mutant adult mice; moreover, in 15% of cases in which Tp53 was concurrently deleted, they progressed to form medulloblastomas that recapitulated the anatomy and gene expression profiles of human WNT-subtype medulloblastoma. We provide the first evidence, to our knowledge, that subtypes of medulloblastoma have distinct cellular origins. Our data provide an explanation for the marked molecular and clinical differences between SHH- and WNT-subtype medulloblastomas and have profound implications for future research and treatment of this important childhood cancer.

Telomeric DNA in the skin cells of 21 human subjects aged between 0 and 92 years was quantified by determining the length of the telomeric smear and the relative amount of TTAGGG repeat sequences. Both telomere length and quantity of telomeric repeat sequences were found to decrease significantly with age. Telomere loss has previously been postulated to be a caused of cell senescence.

Summary

Background

 International consensus recognises four medulloblastoma molecular subgroups: WNT (MB_WNT), SHH (MB_SHH), group 3 (MB_Grp3), and group 4 (MB_Grp4), each defined by their characteristic genome-wide transcriptomic and DNA methylomic profiles. These subgroups have distinct clinicopathological and molecular features, and underpin current disease subclassification and initial subgroup-directed therapies that are underway in clinical trials. However, substantial biological heterogeneity and differences in survival are apparent within each subgroup, which remain to be resolved. We aimed to investigate whether additional molecular subgroups exist within childhood medulloblastoma and whether these could be used to improve disease subclassification and prognosis predictions. 

Methods

 In this retrospective cohort study, we assessed 428 primary medulloblastoma samples collected from UK Children's Cancer and Leukaemia Group (CCLG) treatment centres (UK), collaborating European institutions, and the UKCCSG-SIOP-PNET3 European clinical trial. An independent validation cohort (n=276) of archival tumour samples was also analysed. We analysed samples from patients with childhood medulloblastoma who were aged 0–16 years at diagnosis, and had central review of pathology and comprehensive clinical data. We did comprehensive molecular profiling, including DNA methylation microarray analysis, and did unsupervised class discovery of test and validation cohorts to identify consensus primary molecular subgroups and characterise their clinical and biological significance. We modelled survival of patients aged 3–16 years in patients (n=215) who had craniospinal irradiation and had been treated with a curative intent. 

Findings

 Seven robust and reproducible primary molecular subgroups of childhood medulloblastoma were identified. MB_WNT remained unchanged and each remaining consensus subgroup was split in two. MB_SHH was split into age-dependent subgroups corresponding to infant (<4·3 years; MB_SHH-Infant; n=65) and childhood patients (≥4·3 years; MB_SHH-Child; n=38). MB_Grp3 and MB_Grp4 were each split into high-risk (MB_Grp3-HR [n=65] and MB_Grp4-HR [n=85]) and low-risk (MB_Grp3-LR [n=50] and MB_Grp4-LR [n=73]) subgroups. These biological subgroups were validated in the independent cohort. We identified features of the seven subgroups that were predictive of outcome. Cross-validated subgroup-dependent survival models, incorporating these novel subgroups along with secondary clinicopathological and molecular features and established disease risk-factors, outperformed existing disease risk-stratification schemes. These subgroup-dependent models stratified patients into four clinical risk groups for 5-year progression-free survival: favourable risk (54 [25%] of 215 patients; 91% survival [95% CI 82–100]); standard risk (50 [23%] patients; 81% survival [70–94]); high-risk (82 [38%] patients; 42% survival [31–56]); and very high-risk (29 [13%] patients; 28% survival [14–56]). 

Interpretation

 The discovery of seven novel, clinically significant subgroups improves disease risk-stratification and could inform treatment decisions. These data provide a new foundation for future research and clinical investigations. 

Funding

 Cancer Research UK, The Tom Grahame Trust, Star for Harris, Action Medical Research, SPARKS, The JGW Patterson Foundation, The INSTINCT network (co-funded by The Brain Tumour Charity, Great Ormond Street Children's Charity, and Children with Cancer UK).

Purpose Identifying pathobiological correlates of clinical behavior or therapeutic response currently represents a key challenge for medulloblastoma research. Nuclear accumulation of the β-catenin protein is associated with activation of the Wnt/Wg signaling pathway, and mutations affecting components of this pathway have been reported in approximately 15% of sporadic medulloblastomas. We tested the hypothesis that nuclear immunoreactivity for β-catenin is a prognostic marker in medulloblastoma, and assessed the relationship between nuclear β-catenin immunoreactivity and mutations of CTNNB1 and APC. Patients and Methods Medulloblastomas from children entered onto the International Society for Pediatric Oncology (SIOP)/United Kingdom Children's Cancer Study Group (UKCCSG) PNET3 trial (n = 109) were examined for β-catenin immunoreactivity, and where tissue was available, evidence of CTNNB1 and APC mutations. The results were correlated with clinicopathologic variables, principally outcome. Results Children with medulloblastomas that showed a nucleopositive β-catenin immunophenotype (27 of 109; 25%) had significantly better overall (OS) and event-free (EFS) survivals than children with tumors that showed either membranous/cytoplasmic β-catenin immunoreactivity or no immunoreactivity (P = .0015 and P = .0026, respectively). For β-catenin nucleopositive and nucleonegative medulloblastomas, 5-year OS was 92.3% (95% CI, 82% to 100%) versus 65.3% (95% CI, 54.8 to 75.7%), and 5-year EFS was 88.9% (95% CI, 77% to 100%) versus 59.5% (95% CI, 48.8 to 70.2%), respectively. Mutations in CTNNB1 were found exclusively among medulloblastomas that demonstrated nuclear β-catenin immunoreactivity, but no evidence of APC mutation was found in these cases. All children with β-catenin nucleopositive large cell/anaplastic medulloblastomas and β-catenin nucleopositive medulloblastomas presenting with metastatic disease are alive at least 5 years postdiagnosis. Conclusion Nuclear accumulation of β-catenin appears to be a marker of favorable outcome in medulloblastoma, and should be investigated further in large group-wide trials.

Purpose Reports detailing the prognostic impact of TP53 mutations in medulloblastoma offer conflicting conclusions. We resolve this issue through the inclusion of molecular subgroup profiles. Patients and Methods We determined subgroup affiliation, TP53 mutation status, and clinical outcome in a discovery cohort of 397 medulloblastomas. We subsequently validated our results on an independent cohort of 156 medulloblastomas. Results TP53 mutations are enriched in wingless (WNT; 16%) and sonic hedgehog (SHH; 21%) medulloblastomas and are virtually absent in subgroups 3 and 4 tumors (P < .001). Patients with SHH/TP53 mutant tumors are almost exclusively between ages 5 and 18 years, dramatically different from the general SHH distribution (P < .001). Children with SHH/TP53 mutant tumors harbor 56% germline TP53 mutations, which are not observed in children with WNT/TP53 mutant tumors. Five-year overall survival (OS; ± SE) was 41% ± 9% and 81% ± 5% for patients with SHH medulloblastomas with and without TP53 mutations, respectively (P < .001). Furthermore, TP53 mutations accounted for 72% of deaths in children older than 5 years with SHH medulloblastomas. In contrast, 5-year OS rates were 90% ± 9% and 97% ± 3% for patients with WNT tumors with and without TP53 mutations (P = .21). Multivariate analysis revealed that TP53 status was the most important risk factor for SHH medulloblastoma. Survival rates in the validation cohort mimicked the discovery results, revealing that poor survival of TP53 mutations is restricted to patients with SHH medulloblastomas (P = .012) and not WNT tumors. Conclusion Subgroup-specific analysis reconciles prior conflicting publications and confirms that TP53 mutations are enriched among SHH medulloblastomas, in which they portend poor outcome and account for a large proportion of treatment failures in these patients.

Medulloblastoma comprises four distinct molecular subgroups: WNT, SHH, Group 3, and Group 4. Current medulloblastoma protocols stratify patients based on clinical features: patient age, metastatic stage, extent of resection, and histologic variant. Stark prognostic and genetic differences among the four subgroups suggest that subgroup-specific molecular biomarkers could improve patient prognostication.Molecular biomarkers were identified from a discovery set of 673 medulloblastomas from 43 cities around the world. Combined risk stratification models were designed based on clinical and cytogenetic biomarkers identified by multivariable Cox proportional hazards analyses. Identified biomarkers were tested using fluorescent in situ hybridization (FISH) on a nonoverlapping medulloblastoma tissue microarray (n = 453), with subsequent validation of the risk stratification models.Subgroup information improves the predictive accuracy of a multivariable survival model compared with clinical biomarkers alone. Most previously published cytogenetic biomarkers are only prognostic within a single medulloblastoma subgroup. Profiling six FISH biomarkers (GLI2, MYC, chromosome 11 [chr11], chr14, 17p, and 17q) on formalin-fixed paraffin-embedded tissues, we can reliably and reproducibly identify very low-risk and very high-risk patients within SHH, Group 3, and Group 4 medulloblastomas.Combining subgroup and cytogenetic biomarkers with established clinical biomarkers substantially improves patient prognostication, even in the context of heterogeneous clinical therapies. The prognostic significance of most molecular biomarkers is restricted to a specific subgroup. We have identified a small panel of cytogenetic biomarkers that reliably identifies very high-risk and very low-risk groups of patients, making it an excellent tool for selecting patients for therapy intensification and therapy de-escalation in future clinical trials.

We undertook a comprehensive clinical and biological investigation of serial medulloblastoma biopsies obtained at diagnosis and relapse. Combined MYC family amplifications and P53 pathway defects commonly emerged at relapse, and all patients in this group died of rapidly progressive disease postrelapse. To study this interaction, we investigated a transgenic model of MYCN-driven medulloblastoma and found spontaneous development of Trp53 inactivating mutations. Abrogation of p53 function in this model produced aggressive tumors that mimicked characteristics of relapsed human tumors with combined P53-MYC dysfunction. Restoration of p53 activity and genetic and therapeutic suppression of MYCN all reduced tumor growth and prolonged survival. Our findings identify P53-MYC interactions at medulloblastoma relapse as biomarkers of clinically aggressive disease that may be targeted therapeutically.

Summary Medulloblastoma is currently sub-classified into distinct DNA methylation subgroups/subtypes with particular clinico-molecular features. Using RNA-seq in large well annotated cohorts of medulloblastoma we show that transcriptionally Group3 and Group4 medulloblastomas exist not as discrete types but as intermediates on a bipolar continuum between archetypal Group3 and Group4 entities. Continuum position is prognostic, reflects propensity for specific DNA copy-number changes, key switches in isoform/enhancer usage and RNA-editing. Examining scRNA-seq profiles we show intra-tumoral transcriptional heterogeneity along the continuum is limited in a subtype-dependent manner. By integrating with a human scRNA-seq reference atlas we show this continuum is mirrored by an equivalent continuum of transcriptional cell types in early fetal cerebellar development. We identify unique developmental niches for all four major subgroups and link each to a common developmental antecedent. Our findings show a transcriptional continuum arising from oncogenic disruption of highly specific fetal cerebellar cell types, linked to almost every aspect of Group3/Group4 molecular biology and clinico-pathology.

The implementation of personalised medicine in childhood cancers has been limited by a lack of clinically validated multi-target sequencing approaches specific for paediatric solid tumours. In order to support innovative clinical trials in high-risk patients with unmet need, we have developed a clinically relevant targeted sequencing panel spanning 311 kb and comprising 78 genes involved in childhood cancers. A total of 132 samples were used for the validation of the panel, including Horizon Discovery cell blends (n=4), cell lines (n=15), formalin-fixed paraffin embedded (FFPE, n=83) and fresh frozen tissue (FF, n=30) patient samples. Cell blends containing known single nucleotide variants (SNVs, n=528) and small insertion-deletions (indels n=108) were used to define panel sensitivities of ≥98% for SNVs and ≥83% for indels [95% CI] and panel specificity of ≥98% [95% CI] for SNVs. FFPE samples performed comparably to FF samples (n=15 paired). Of 95 well-characterised genetic abnormalities in 33 clinical specimens and 13 cell lines (including SNVs, indels, amplifications, rearrangements and chromosome losses), 94 (98.9%) were detected by our approach. We have validated a robust and practical methodology to guide clinical management of children with solid tumours based on their molecular profiles. Our work demonstrates the value of targeted gene sequencing in the development of precision medicine strategies in paediatric oncology.