Glioblastoma (GB) is the most common and aggressive primary brain malignancy, with poor prognosis and a lack of effective therapeutic options. Accumulating evidence suggests that intratumor heterogeneity likely is the key to understanding treatment failure. However, the extent of intratumor heterogeneity as a result of tumor evolution is still poorly understood. To address this, we developed a unique surgical multisampling scheme to collect spatially distinct tumor fragments from 11 GB patients. We present an integrated genomic analysis that uncovers extensive intratumor heterogeneity, with most patients displaying different GB subtypes within the same tumor. Moreover, we reconstructed the phylogeny of the fragments for each patient, identifying copy number alterations in EGFR and CDKN2A/B/p14ARF as early events, and aberrations in PDGFRA and PTEN as later events during cancer progression. We also characterized the clonal organization of each tumor fragment at the single-molecule level, detecting multiple coexisting cell lineages. Our results reveal the genome-wide architecture of intratumor variability in GB across multiple spatial scales and patient-specific patterns of cancer evolution, with consequences for treatment design.

Summary

 Ependymal tumors across age groups are currently classified and graded solely by histopathology. It is, however, commonly accepted that this classification scheme has limited clinical utility based on its lack of reproducibility in predicting patients' outcome. We aimed at establishing a uniform molecular classification using DNA methylation profiling. Nine molecular subgroups were identified in a large cohort of 500 tumors, 3 in each anatomical compartment of the CNS, spine, posterior fossa, supratentorial. Two supratentorial subgroups are characterized by prototypic fusion genes involving RELA and YAP1, respectively. Regarding clinical associations, the molecular classification proposed herein outperforms the current histopathological classification and thus might serve as a basis for the next World Health Organization classification of CNS tumors.

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.

Abstract Brain tumors are the most common solid tumors of childhood, and pilocytic astrocytomas (PA) are the most common central nervous system tumor in 5 to 19 year olds. Little is known about the genetic alterations underlying their development. Here, we describe a tandem duplication of ∼2 Mb at 7q34 occurring in 66% of PAs. This rearrangement, which was not observed in a series of 244 higher-grade astrocytomas, results in an in-frame fusion gene incorporating the kinase domain of the BRAF oncogene. We further show that the resulting fusion protein has constitutive BRAF kinase activity and is able to transform NIH3T3 cells. This is the first report of BRAF activation through rearrangement as a frequent feature in a sporadic tumor. The frequency and specificity of this change underline its potential both as a therapeutic target and as a diagnostic tool. [Cancer Res 2008;68(21):8673–7]

Smoothened (SMO) inhibitors recently entered clinical trials for sonic-hedgehog-driven medulloblastoma (SHH-MB). Clinical response is highly variable. To understand the mechanism(s) of primary resistance and identify pathways cooperating with aberrant SHH signaling, we sequenced and profiled a large cohort of SHH-MBs (n = 133). SHH pathway mutations involved PTCH1 (across all age groups), SUFU (infants, including germline), and SMO (adults). Children >3 years old harbored an excess of downstream MYCN and GLI2 amplifications and frequent TP53 mutations, often in the germline, all of which were rare in infants and adults. Functional assays in different SHH-MB xenograft models demonstrated that SHH-MBs harboring a PTCH1 mutation were responsive to SMO inhibition, whereas tumors harboring an SUFU mutation or MYCN amplification were primarily resistant.

The epidermal growth factor receptor gene has been found to be amplified and rearranged in human glioblastomas in vivo. Here we present the sequence across a splice junction of aberrant epidermal growth factor receptor transcripts derived from corresponding and uniquely rearranged genes that are coamplified and coexpressed with non-rearranged epidermal growth factor receptor genes in six primary human glioblastomas. Each of these six tumors contains aberrant transcripts derived from identical splicing of exon 1 to exon 8 as a consequence of a deletion-rearrangement of the amplified gene, the extent of which is variable among these tumors. In spite of this intertumoral variability, each intragenic rearrangement results in loss of the same 801 coding bases (exons 2-7) and creation of a new codon at the novel splice site in their corresponding transcripts. These rearrangements do not, however, affect the mRNA sequence for the signal peptide, the first five codons, or the reading frame downstream of the rearrangement.

Recent sequencing studies have extensively explored the somatic alterations present in the nuclear genomes of cancers. Although mitochondria control energy metabolism and apoptosis, the origins and impact of cancer-associated mutations in mtDNA are unclear. In this study, we analyzed somatic alterations in mtDNA from 1675 tumors. We identified 1907 somatic substitutions, which exhibited dramatic replicative strand bias, predominantly C > T and A > G on the mitochondrial heavy strand. This strand-asymmetric signature differs from those found in nuclear cancer genomes but matches the inferred germline process shaping primate mtDNA sequence content. A number of mtDNA mutations showed considerable heterogeneity across tumor types. Missense mutations were selectively neutral and often gradually drifted towards homoplasmy over time. In contrast, mutations resulting in protein truncation undergo negative selection and were almost exclusively heteroplasmic. Our findings indicate that the endogenous mutational mechanism has far greater impact than any other external mutagens in mitochondria and is fundamentally linked to mtDNA replication.