Summary

 Diverse genetic, epigenetic, and developmental programs drive glioblastoma, an incurable and poorly understood tumor, but their precise characterization remains challenging. Here, we use an integrative approach spanning single-cell RNA-sequencing of 28 tumors, bulk genetic and expression analysis of 401 specimens from the The Cancer Genome Atlas (TCGA), functional approaches, and single-cell lineage tracing to derive a unified model of cellular states and genetic diversity in glioblastoma. We find that malignant cells in glioblastoma exist in four main cellular states that recapitulate distinct neural cell types, are influenced by the tumor microenvironment, and exhibit plasticity. The relative frequency of cells in each state varies between glioblastoma samples and is influenced by copy number amplifications of the CDK4, EGFR, and PDGFRA loci and by mutations in the NF1 locus, which each favor a defined state. Our work provides a blueprint for glioblastoma, integrating the malignant cell programs, their plasticity, and their modulation by genetic drivers.

A single sentence summarizing your paper (websum), which will appear online on the table of contents and in e-alerts, has been provided below. Please check this sentence for accuracy and appropriate emphasis. Itay Tirosh et al. use single-cell RNA-seq to show that human oligodendrogliomas contain cancer cells specialized into two types of glia, as well as a rare subpopulation of cells that are undifferentiated and display a gene expression program that is characteristic of neural stem cells. By coupling this analysis with functional assessment of oligodendroglioma cell lines, the authors provide support for a cancer stem cell model of tumour development in this particular context. Although human tumours are shaped by the genetic evolution of cancer cells, evidence also suggests that they display hierarchies related to developmental pathways and epigenetic programs in which cancer stem cells (CSCs) can drive tumour growth and give rise to differentiated progeny1. Yet, unbiased evidence for CSCs in solid human malignancies remains elusive. Here we profile 4,347 single cells from six IDH1 or IDH2 mutant human oligodendrogliomas by RNA sequencing (RNA-seq) and reconstruct their developmental programs from genome-wide expression signatures. We infer that most cancer cells are differentiated along two specialized glial programs, whereas a rare subpopulation of cells is undifferentiated and associated with a neural stem cell expression program. Cells with expression signatures for proliferation are highly enriched in this rare subpopulation, consistent with a model in which CSCs are primarily responsible for fuelling the growth of oligodendroglioma in humans. Analysis of copy number variation (CNV) shows that distinct CNV sub-clones within tumours display similar cellular hierarchies, suggesting that the architecture of oligodendroglioma is primarily dictated by developmental programs. Subclonal point mutation analysis supports a similar model, although a full phylogenetic tree would be required to definitively determine the effect of genetic evolution on the inferred hierarchies. Our single-cell analyses provide insight into the cellular architecture of oligodendrogliomas at single-cell resolution and support the cancer stem cell model, with substantial implications for disease management.

Tumor subclasses differ according to the genotypes and phenotypes of malignant cells as well as the composition of the tumor microenvironment (TME). We dissected these influences in isocitrate dehydrogenase (IDH)–mutant gliomas by combining 14,226 single-cell RNA sequencing (RNA-seq) profiles from 16 patient samples with bulk RNA-seq profiles from 165 patient samples. Differences in bulk profiles between IDH-mutant astrocytoma and oligodendroglioma can be primarily explained by distinct TME and signature genetic events, whereas both tumor types share similar developmental hierarchies and lineages of glial differentiation. As tumor grade increases, we find enhanced proliferation of malignant cells, larger pools of undifferentiated glioma cells, and an increase in macrophage over microglia expression programs in TME. Our work provides a unifying model for IDH-mutant gliomas and a general framework for dissecting the differences among human tumor subclasses.

The cellular composition of H3K27M gliomas Diffuse midline gliomas with histone H3 lysine27-to-methionine mutations (H3K27M-glioma) are an aggressive type of childhood cancer with few options for treatment. Filbin et al. used a single-cell sequencing approach to study the oncogenic programs, genetics, and cellular hierarchies of H3K27M-glioma. Tumors were mainly composed of cells resembling oligodendrocyte precursor cells, whereas differentiated malignant cells were a smaller fraction. In comparison with other gliomas, these cancers had distinct oncogenic programs and stem cell–like profiles that contributed to their stable tumor-propagating potential. The analysis also identified a lineage-specific marker that may be useful in developing therapies. Science , this issue p. 331

Glioblastoma, the most common and aggressive malignant brain tumor, is propagated by stem-like cancer cells refractory to existing therapies. Understanding the molecular mechanisms that control glioblastoma stem cell (GSC) proliferation and drug resistance may reveal opportunities for therapeutic interventions. Here we show that GSCs can reversibly transition to a slow-cycling, persistent state in response to targeted kinase inhibitors. In this state, GSCs upregulate primitive developmental programs and are dependent upon Notch signaling. This transition is accompanied by widespread redistribution of repressive histone methylation. Accordingly, persister GSCs upregulate, and are dependent on, the histone demethylases KDM6A/B. Slow-cycling cells with high Notch activity and histone demethylase expression are present in primary glioblastomas before treatment, potentially contributing to relapse. Our findings illustrate how cancer cells may hijack aspects of native developmental programs for deranged proliferation, adaptation, and tolerance. They also suggest strategies for eliminating refractory tumor cells by targeting epigenetic and developmental pathways.