Cynthia Hawkins, Oren Becher and colleagues report the identification of recurrent mutations in ACVR1 in 20% of diffuse intrinsic pontine gliomas. Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) is a fatal brain cancer that arises in the brainstem of children, with no effective treatment and near 100% fatality. The failure of most therapies can be attributed to the delicate location of these tumors and to the selection of therapies on the basis of assumptions that DIPGs are molecularly similar to adult disease. Recent studies have unraveled the unique genetic makeup of this brain cancer, with nearly 80% found to harbor a p.Lys27Met histone H3.3 or p.Lys27Met histone H3.1 alteration. However, DIPGs are still thought of as one disease, with limited understanding of the genetic drivers of these tumors. To understand what drives DIPGs, we integrated whole-genome sequencing with methylation, expression and copy number profiling, discovering that DIPGs comprise three molecularly distinct subgroups (H3-K27M, silent and MYCN) and uncovering a new recurrent activating mutation affecting the activin receptor gene ACVR1 in 20% of DIPGs. Mutations in ACVR1 were constitutively activating, leading to SMAD phosphorylation and increased expression of the downstream activin signaling targets ID1 and ID2. Our results highlight distinct molecular subgroups and novel therapeutic targets for this incurable pediatric cancer.

Summary

Background

 Retinoblastoma is the childhood retinal cancer that defined tumour-suppressor genes. Previous work shows that mutation of both alleles of the RB1 retinoblastoma suppressor gene initiates disease. We aimed to characterise non-familial retinoblastoma tumours with no detectable RB1 mutations. 

Methods

 Of 1068 unilateral non-familial retinoblastoma tumours, we compared those with no evidence of RB1 mutations (RB1^+/+) with tumours carrying a mutation in both alleles (RB1^−/−). We analysed genomic copy number, RB1 gene expression and protein function, retinal gene expression, histological features, and clinical data. 

Findings

 No RB1 mutations (RB1^+/+) were reported in 29 (2·7%) of 1068 unilateral retinoblastoma tumours. 15 of the 29 RB1^+/+ tumours had high-level MYCN oncogene amplification (28–121 copies; RB1^+/+MYCN^A), whereas none of 93 RB1^−/− primary tumours tested showed MYCN amplification (p<0·0001). RB1^+/+MYCN^A tumours expressed functional RB1 protein, had fewer overall genomic copy-number changes in genes characteristic of retinoblastoma than did RB1^−/− tumours, and showed distinct aggressive histological features. MYCN amplification was the sole copy-number change in one RB1^+/+MYCN^A retinoblastoma. One additional MYCN^A tumour was discovered after the initial frequencies were determined, and this is included in further analyses. Median age at diagnosis of the 17 children with RB1^+/+MYCN^A tumours was 4·5 months (IQR 3·5–10), compared with 24 months (15–37) for 79 children with non-familial unilateral RB1^−/− retinoblastoma. 

Interpretation

 Amplification of the MYCN oncogene might initiate retinoblastoma in the presence of non-mutated RB1 genes. These unilateral RB1^+/+MYCN^A retinoblastomas are characterised by distinct histological features, only a few of the genomic copy-number changes that are characteristic of retinoblastoma, and very early age of diagnosis. 

Funding

 National Cancer Institute–National Institutes of Health, Canadian Institutes of Health Research, German Research Foundation, Canadian Retinoblastoma Society, Hyland Foundation, Toronto Netralaya and Doctors Lions Clubs, Ontario Ministry of Health and Long Term Care, UK-Essen, and Foundations Avanti-STR and KiKa.

Pediatric low-grade gliomas (pLGG) are frequently driven by genetic alterations in the RAS-mitogen-activated protein kinase (RAS/MAPK) pathway yet show unexplained variability in their clinical outcome. To address this, we characterized a cohort of >1,000 clinically annotated pLGG. Eighty-four percent of cases harbored a driver alteration, while those without an identified alteration also often exhibited upregulation of the RAS/MAPK pathway. pLGG could be broadly classified based on their alteration type. Rearrangement-driven tumors were diagnosed at a younger age, enriched for WHO grade I histology, infrequently progressed, and rarely resulted in death as compared with SNV-driven tumors. Further sub-classification of clinical-molecular correlates stratified pLGG into risk categories. These data highlight the biological and clinical differences between pLGG subtypes and opens avenues for future treatment refinement.

Abstract BACKGROUND Diffuse Midline Glioma (DMG) is a incurable tumor affecting children. Recent genomic investigations have identified a recurrent H3K27M mutation which induces global alterations in histone methylation patterns and DNA methylation. These epigenetic modifications hint at pivotal roles in DMG pathogenesis, yet effective therapeutic strategies remain elusive, with median survival rates stagnant at approximately one year. This shortfall stems from two main factors: 1) Inadequate multiomics studies hindering our understanding of DMG evolution and tumor progression, and 2) Limited comprehension of the tumor microenvironment in DMG. METHODS To elucidate DMG’s clonal evolution, we adopted a comprehensive multi-region sampling approach, acquiring 33 specimens from seven patients. Whole-exome and transcriptome sequencing, alongside DNA methylation profiling, were performed. Additionally, we generated one of the most extensive single-cell multiomics datasets (&gt;300,000 cells from 21 additional samples), with a focus on pre- and post-treatment, and dissemination effects in DMG. RESULTS Our analysis delineated a tumor-promoting microenvironment characterized by hypoxia and pro-inflammatory conditions, nurturing genomic alterations and specialized biological processes such as proliferation and epithelial-mesenchymal transition. Notably, a majority of immune cells exhibited M1-like polarization, bolstering pro-inflammatory programs within the tumor milieu. Subclones within the DMG cohort demonstrated dissemination potential, often exhibiting up-regulation of NOTCH, P53, and WNT beta-catenin signaling pathways. These findings suggest that DMG clones harboring dissemination capabilities outside the pons acquire additional phenotypic features, possibly mediated by epigenetic or transcriptional alterations, contributing to enhanced migratory and aggressive behaviors. CONCLUSIONS Our study unveils the parallel evolution of DMG at genetic, epigenetic, and transcriptional levels, unveiling novel subclonal phenotypes governing tumor behavior. Crucially, we identify critical environmental shifts such as hypoxia and inflammatory changes, coupled with specialized signaling programs, driving dissemination and resistance phenotypes. These insights may pave the way for generating accurate genetically mouse models and targeted therapeutic interventions to combat this challenging malignancy.