Summary

 Human brain tumors appear to have a hierarchical cellular organization suggestive of a stem cell foundation. In vitro expansion of the putative cancer stem cells as stable cell lines would provide a powerful model system to study their biology. Here, we demonstrate routine and efficient derivation of adherent cell lines from malignant glioma that display stem cell properties and initiate high-grade gliomas following xenotransplantation. Significantly, glioma neural stem (GNS) cell lines from different tumors exhibit divergent gene expression signatures and differentiation behavior that correlate with specific neural progenitor subtypes. The diversity of gliomas may, therefore, reflect distinct cancer stem cell phenotypes. The purity and stability of adherent GNS cell lines offer significant advantages compared to "sphere" cultures, enabling refined studies of cancer stem cell behavior. A proof-of-principle live cell imaging-based chemical screen (450 FDA-approved drugs) identifies both differential sensitivities of GNS cells and a common susceptibility to perturbation of serotonin signaling.

Ependymomas are common childhood brain tumours that occur throughout the nervous system, but are most common in the paediatric hindbrain. Current standard therapy comprises surgery and radiation, but not cytotoxic chemotherapy as it does not further increase survival. Whole-genome and whole-exome sequencing of 47 hindbrain ependymomas reveals an extremely low mutation rate, and zero significant recurrent somatic single nucleotide variants. Although devoid of recurrent single nucleotide variants and focal copy number aberrations, poor-prognosis hindbrain ependymomas exhibit a CpG island methylator phenotype. Transcriptional silencing driven by CpG methylation converges exclusively on targets of the Polycomb repressive complex 2 which represses expression of differentiation genes through trimethylation of H3K27. CpG island methylator phenotype-positive hindbrain ependymomas are responsive to clinical drugs that target either DNA or H3K27 methylation both in vitro and in vivo. We conclude that epigenetic modifiers are the first rational therapeutic candidates for this deadly malignancy, which is epigenetically deregulated but genetically bland. Although genetically bland, the posterior fossa group A subgroup of ependymomas, found often in infants and associated with poor prognosis, exhibit widespread epigenetic alterations, namely a CpG island methylator phenotype; these tumours are shown to be susceptible both in vitro and in vivo to various compounds that target epigenetic modifications, such as DNA methylation and H3K27 tri-methylation. In this issue of Nature two groups present independent genomic analyses on ependymomas, a type of tumour that occurs throughout the nervous system, but most commonly in the hindbrain in children. Mack et al. found a low overall mutation rate and no significant recurrent mutations in 47 hindbrain ependymomas. But posterior fossa group B tumours, a subgroup found predominantly in infants and associated with poor prognosis, were distinguished by a CpG island methylator phenotype. This subgroup is shown to be susceptible to various compounds that target epigenetic modifications, including an EZH2 inhibitor that showed efficacy in a mouse xenograft model. Parker et al. found the C11orf95–RELA fusion gene in about 70% of supratentorial tumours, but not in other ependymoma subgroups. The gene fusions arise through chromothripsis and lead to the expression of a fusion protein that constitutively activates NF-κB signalling. In a mouse model, expression of C11orf95–RELA in neural stem cells leads to the formation of brain tumours. These findings identify NF-κB signalling as a possible therapeutic target in patients with this type of ependymoma.

Human glioblastomas harbour a subpopulation of glioblastoma stem cells that drive tumorigenesis. However, the origin of intratumoural functional heterogeneity between glioblastoma cells remains poorly understood. Here we study the clonal evolution of barcoded glioblastoma cells in an unbiased way following serial xenotransplantation to define their individual fate behaviours. Independent of an evolving mutational signature, we show that the growth of glioblastoma clones in vivo is consistent with a remarkably neutral process involving a conserved proliferative hierarchy rooted in glioblastoma stem cells. In this model, slow-cycling stem-like cells give rise to a more rapidly cycling progenitor population with extensive self-maintenance capacity, which in turn generates non-proliferative cells. We also identify rare ‘outlier’ clones that deviate from these dynamics, and further show that chemotherapy facilitates the expansion of pre-existing drug-resistant glioblastoma stem cells. Finally, we show that functionally distinct glioblastoma stem cells can be separately targeted using epigenetic compounds, suggesting new avenues for glioblastoma-targeted therapy. Using unique barcodes for tumour cells, the authors explore the dynamics of human glioblastoma subpopulations, and suggest that clonal heterogeneity emerges through stochastic fate decisions of a neutral proliferative hierarchy. Cancers are heterogeneous between patients and between tumour cells. It is still difficult to identify the subpopulations of cells that most contribute to tumour growth and those that are targeted by therapy. Xiaoyang Lan et al. now explore the dynamics of human glioblastoma (GBM) subpopulations using barcodes for tumour cells. They suggest that a proliferative hierarchy emerges through stochastic cell fate decision. In this model, slow-cycling stem cells give rise to rapidly proliferative progenitors that fuel tumour growth and which in turn generate cells that are short-lived and do not proliferate. This is in contrast to a clonal evolution model based on the different fitness of cells that are selected for. The authors also identify a rare subpopulation of GBM cells that is resistant to TMZ treatment (the common treatment for GBM) but can be targeted by drug combinations.

Significance Glioblastoma is an incurable brain tumor. It is characterized by intratumoral phenotypic and genetic heterogeneity, but the functional significance of this heterogeneity is unclear. We devised an integrated functional and genomic strategy to obtain single cell-derived tumor clones directly from patient tumors to identify mechanisms of aggressive clone behavior and drug resistance. Genomic analysis of single clones identified genes associated with clonal phenotypes. We predict that integration of functional and genomic analysis at a clonal level will be essential for understanding evolution and therapeutic resistance of human cancer, and will lead to the discovery of novel driver mechanisms and clone-specific cancer treatment.