Purpose To define copy number alterations and gene expression signatures underlying pediatric high-grade glioma (HGG). Patients and Methods We conducted a high-resolution analysis of genomic imbalances in 78 de novo pediatric HGGs, including seven diffuse intrinsic pontine gliomas, and 10 HGGs arising in children who received cranial irradiation for a previous cancer using single nucleotide polymorphism microarray analysis. Gene expression was analyzed with gene expression microarrays for 53 tumors. Results were compared with publicly available data from adult tumors. Results Significant differences in copy number alterations distinguish childhood and adult glioblastoma. PDGFRA was the predominant target of focal amplification in childhood HGG, including diffuse intrinsic pontine gliomas, and gene expression analyses supported an important role for deregulated PDGFRα signaling in pediatric HGG. No IDH1 hotspot mutations were found in pediatric tumors, highlighting molecular differences with adult secondary glioblastoma. Pediatric and adult glioblastomas were clearly distinguished by frequent gain of chromosome 1q (30% v 9%, respectively) and lower frequency of chromosome 7 gain (13% v 74%, respectively) and 10q loss (35% v 80%, respectively). PDGFRA amplification and 1q gain occurred at significantly higher frequency in irradiation-induced tumors, suggesting that these are initiating events in childhood gliomagenesis. A subset of pediatric HGGs showed minimal copy number changes. Conclusion Integrated molecular profiling showed substantial differences in the molecular features underlying pediatric and adult HGG, indicating that findings in adult tumors cannot be simply extrapolated to younger patients. PDGFRα may be a useful target for pediatric HGG, including diffuse pontine gliomas.

Abstract Children and young adults with glioblastoma (GBM) have a median survival rate of only 12 to 15 months, and these GBMs are clinically and biologically distinct from histologically similar cancers in older adults. They are defined by highly specific mutations in the gene encoding the histone H3.3 variant H3F3A, occurring either at or close to key residues marked by methylation for regulation of transcription—K27 and G34. Here, we show that the cerebral hemisphere-specific G34 mutation drives a distinct expression signature through differential genomic binding of the K36 trimethylation mark (H3K36me3). The transcriptional program induced recapitulates that of the developing forebrain, and involves numerous markers of stem-cell maintenance, cell-fate decisions, and self-renewal. Critically, H3F3A G34 mutations cause profound upregulation of MYCN, a potent oncogene that is causative of GBMs when expressed in the correct developmental context. This driving aberration is selectively targetable in this patient population through inhibiting kinases responsible for stabilization of the protein. Significance: We provide the mechanistic explanation for how the first histone gene mutation in human disease biology acts to deliver MYCN, a potent tumorigenic initiator, into a stem-cell compartment of the developing forebrain, selectively giving rise to incurable cerebral hemispheric GBM. Using synthetic lethal approaches to these mutant tumor cells provides a rational way to develop novel and highly selective treatment strategies. Cancer Discov; 3(5); 512–19. ©2013 AACR. See related commentary by Huang and Weiss, p. 484 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 471

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) is one of the most frequent malignant pediatric brain tumor and its prognosis is universaly fatal. No significant improvement has been made in last thirty years over the standard treatment with radiotherapy. To address the paucity of understanding of DIPGs, we have carried out integrated molecular profiling of a large series of samples obtained with stereotactic biopsy at diagnosis. While chromosomal imbalances did not distinguish DIPG and supratentorial tumors on CGHarrays, gene expression profiling revealed clear differences between them, with brainstem gliomas resembling midline/thalamic tumours, indicating a closely-related origin. Two distinct subgroups of DIPG were identified. The first subgroup displayed mesenchymal and pro-angiogenic characteristics, with stem cell markers enrichment consistent with the possibility to grow tumor stem cells from these biopsies. The other subgroup displayed oligodendroglial features, and appeared largely driven by PDGFRA, in particular through amplification and/or novel missense mutations in the extracellular domain. Patients in this later group had a significantly worse outcome with an hazard ratio for early deaths, ie before 10 months, 8 fold greater that the ones in the other subgroup (p = 0.041, Cox regression model). The worse outcome of patients with the oligodendroglial type of tumors was confirmed on a series of 55 paraffin-embedded biopsy samples at diagnosis (median OS of 7.73 versus 12.37 months, p = 0.045, log-rank test). Two distinct transcriptional subclasses of DIPG with specific genomic alterations can be defined at diagnosis by oligodendroglial differentiation or mesenchymal transition, respectively. Classifying these tumors by signal transduction pathway activation and by mutation in pathway member genes may be particularily valuable for the development of targeted therapies.

Abstract The outcome for children with high-grade gliomas (HGG) remains dismal, with a 2-year survival rate of only 10% to 30%. Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) comprise a subset of HGG that arise in the brainstem almost exclusively in children. Genome-wide analyses of copy number imbalances previously showed that platelet-derived growth factor receptor α (PDGFRA) is the most frequent target of focal amplification in pediatric HGGs, including DIPGs. To determine whether PDGFRA is also targeted by more subtle mutations missed by copy number analysis, we sequenced all PDGFRA coding exons from a cohort of pediatric HGGs. Somatic-activating mutations were identified in 14.4% (13 of 90) of nonbrainstem pediatric HGGs and 4.7% (2 of 43) of DIPGs, including missense mutations and in-frame deletions and insertions not previously described. Forty percent of tumors with mutation showed concurrent amplification, whereas 60% carried heterozygous mutations. Six different mutations impacting different domains all resulted in ligand-independent receptor activation that was blocked by small molecule inhibitors of PDGFR. Expression of mutants in p53-null primary mouse astrocytes conferred a proliferative advantage in vitro and generated HGGs in vivo with complete penetrance when implanted into brain. The gene expression signatures of these murine HGGs reflected the spectrum of human diffuse HGGs. PDGFRA intragenic deletion of exons 8 and 9 were previously shown in adult HGG, but were not detected in 83 nonbrainstem pediatric HGG and 57 DIPGs. Thus, a distinct spectrum of mutations confers constitutive receptor activation and oncogenic activity to PDGFRα in childhood HGG. Cancer Res; 73(20); 6219–29. ©2013 AACR.