X-linked adrenoleukodystrophy (ALD) is a severe brain demyelinating disease in boys that is caused by a deficiency in ALD protein, an adenosine triphosphate–binding cassette transporter encoded by the ABCD1 gene. ALD progression can be halted by allogeneic hematopoietic cell transplantation (HCT). We initiated a gene therapy trial in two ALD patients for whom there were no matched donors. Autologous CD34+ cells were removed from the patients, genetically corrected ex vivo with a lentiviral vector encoding wild-type ABCD1, and then re-infused into the patients after they had received myeloablative treatment. Over a span of 24 to 30 months of follow-up, we detected polyclonal reconstitution, with 9 to 14% of granulocytes, monocytes, and T and B lymphocytes expressing the ALD protein. These results strongly suggest that hematopoietic stem cells were transduced in the patients. Beginning 14 to 16 months after infusion of the genetically corrected cells, progressive cerebral demyelination in the two patients stopped, a clinical outcome comparable to that achieved by allogeneic HCT. Thus, lentiviral-mediated gene therapy of hematopoietic stem cells can provide clinical benefits in ALD.

X-linked SCID (SCID-X1) is amenable to correction by gene therapy using conventional gammaretroviral vectors. Here, we describe the occurrence of clonal T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) promoted by insertional mutagenesis in a completed gene therapy trial of 10 SCID-X1 patients. Integration of the vector in an antisense orientation 35 kb upstream of the protooncogene LIM domain only 2 (LMO2) caused overexpression of LMO2 in the leukemic clone. However, leukemogenesis was likely precipitated by the acquisition of other genetic abnormalities unrelated to vector insertion, including a gain-of-function mutation in NOTCH1, deletion of the tumor suppressor gene locus cyclin-dependent kinase 2A (CDKN2A), and translocation of the TCR-β region to the STIL-TAL1 locus. These findings highlight a general toxicity of endogenous gammaretroviral enhancer elements and also identify a combinatorial process during leukemic evolution that will be important for risk stratification and for future protocol design.

Medulloblastoma is an aggressively growing tumour, arising in the cerebellum or medulla/brain stem. It is the most common malignant brain tumour in children, and shows tremendous biological and clinical heterogeneity. Despite recent treatment advances, approximately 40% of children experience tumour recurrence, and 30% will die from their disease. Those who survive often have a significantly reduced quality of life. Four tumour subgroups with distinct clinical, biological and genetic profiles are currently identified. WNT tumours, showing activated wingless pathway signalling, carry a favourable prognosis under current treatment regimens. SHH tumours show hedgehog pathway activation, and have an intermediate prognosis. Group 3 and 4 tumours are molecularly less well characterized, and also present the greatest clinical challenges. The full repertoire of genetic events driving this distinction, however, remains unclear. Here we describe an integrative deep-sequencing analysis of 125 tumour-normal pairs, conducted as part of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) PedBrain Tumor Project. Tetraploidy was identified as a frequent early event in Group 3 and 4 tumours, and a positive correlation between patient age and mutation rate was observed. Several recurrent mutations were identified, both in known medulloblastoma-related genes (CTNNB1, PTCH1, MLL2, SMARCA4) and in genes not previously linked to this tumour (DDX3X, CTDNEP1, KDM6A, TBR1), often in subgroup-specific patterns. RNA sequencing confirmed these alterations, and revealed the expression of what are, to our knowledge, the first medulloblastoma fusion genes identified. Chromatin modifiers were frequently altered across all subgroups. These findings enhance our understanding of the genomic complexity and heterogeneity underlying medulloblastoma, and provide several potential targets for new therapeutics, especially for Group 3 and 4 patients.

Pilocytic astrocytoma, the most common childhood brain tumor, is typically associated with mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway alterations. Surgically inaccessible midline tumors are therapeutically challenging, showing sustained tendency for progression and often becoming a chronic disease with substantial morbidities. Here we describe whole-genome sequencing of 96 pilocytic astrocytomas, with matched RNA sequencing (n = 73), conducted by the International Cancer Genome Consortium (ICGC) PedBrain Tumor Project. We identified recurrent activating mutations in FGFR1 and PTPN11 and new NTRK2 fusion genes in non-cerebellar tumors. New BRAF-activating changes were also observed. MAPK pathway alterations affected all tumors analyzed, with no other significant mutations identified, indicating that pilocytic astrocytoma is predominantly a single-pathway disease. Notably, we identified the same FGFR1 mutations in a subset of H3F3A-mutated pediatric glioblastoma with additional alterations in the NF1 gene. Our findings thus identify new potential therapeutic targets in distinct subsets of pilocytic astrocytoma and childhood glioblastoma.

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.

Medulloblastoma is a highly malignant paediatric brain tumour currently treated with a combination of surgery, radiation and chemotherapy, posing a considerable burden of toxicity to the developing child. Genomics has illuminated the extensive intertumoral heterogeneity of medulloblastoma, identifying four distinct molecular subgroups. Group 3 and group 4 subgroup medulloblastomas account for most paediatric cases; yet, oncogenic drivers for these subtypes remain largely unidentified. Here we describe a series of prevalent, highly disparate genomic structural variants, restricted to groups 3 and 4, resulting in specific and mutually exclusive activation of the growth factor independent 1 family proto-oncogenes, GFI1 and GFI1B. Somatic structural variants juxtapose GFI1 or GFI1B coding sequences proximal to active enhancer elements, including super-enhancers, instigating oncogenic activity. Our results, supported by evidence from mouse models, identify GFI1 and GFI1B as prominent medulloblastoma oncogenes and implicate ‘enhancer hijacking’ as an efficient mechanism driving oncogene activation in a childhood cancer. Focusing on two ill-characterized subtypes of medulloblastoma (group 3 and group 4), this study identifies prevalent genomic structural variants that are restricted to these two subtypes and independently bring together coding regions of GFI1 family proto-oncogenes with active enhancer elements, leading to their mutually exclusive oncogenic activation. Medulloblastoma is a highly malignant paediatric brain tumour. Here the authors focus on two ill-characterized subtypes — group 3 and group 4 — which account for the majority of paediatric cases. They identify prevalent genomic structural variants, which are restricted to these two subtypes, and bring together coding regions of proto-oncogenes, GFI1 and GFI1B, and active enhancer elements leading to oncogene activation. This work identifies 'enhancer hijacking' as an efficient mechanism driving oncogene activation in a childhood cancer.

γ-Retroviral vectors (γRVs), which are commonly used in gene therapy, can trigger oncogenesis by insertional mutagenesis. Here, we have dissected the contribution of vector design and viral integration site selection (ISS) to oncogenesis using an in vivo genotoxicity assay based on transplantation of vector-transduced tumor-prone mouse hematopoietic stem/progenitor cells. By swapping genetic elements between γRV and lentiviral vectors (LVs), we have demonstrated that transcriptionally active long terminal repeats (LTRs) are major determinants of genotoxicity even when reconstituted in LVs and that self-inactivating (SIN) LTRs enhance the safety of γRVs. By comparing the genotoxicity of vectors with matched active LTRs, we were able to determine that substantially greater LV integration loads are required to approach the same oncogenic risk as γRVs. This difference in facilitating oncogenesis is likely to be explained by the observed preferential targeting of cancer genes by γRVs. This integration-site bias was intrinsic to γRVs, as it was also observed for SIN γRVs that lacked genotoxicity in our model. Our findings strongly support the use of SIN viral vector platforms and show that ISS can substantially modulate genotoxicity.