High-grade gliomas are lethal brain cancers whose progression is robustly regulated by neuronal activity. Activity-regulated release of growth factors promotes glioma growth, but this alone is insufficient to explain the effect that neuronal activity exerts on glioma progression. Here we show that neuron and glioma interactions include electrochemical communication through bona fide AMPA receptor-dependent neuron–glioma synapses. Neuronal activity also evokes non-synaptic activity-dependent potassium currents that are amplified by gap junction-mediated tumour interconnections, forming an electrically coupled network. Depolarization of glioma membranes assessed by in vivo optogenetics promotes proliferation, whereas pharmacologically or genetically blocking electrochemical signalling inhibits the growth of glioma xenografts and extends mouse survival. Emphasizing the positive feedback mechanisms by which gliomas increase neuronal excitability and thus activity-regulated glioma growth, human intraoperative electrocorticography demonstrates increased cortical excitability in the glioma-infiltrated brain. Together, these findings indicate that synaptic and electrical integration into neural circuits promotes glioma progression. Neurons form synapses onto glioma cells, and depolarization of glioma membranes promotes glioma growth in vivo, whereas blocking electrochemical signalling blocks tumour growth.

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.

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) is the most severe paediatric solid tumour, with no significant therapeutic progress made in the past 50 years. Recent studies suggest that diffuse midline glioma, H3-K27M mutant, may comprise more than one biological entity. The aim of the study was to determine the clinical and biological variables that most impact their prognosis. Ninety-one patients with classically defined DIPG underwent a systematic stereotactic biopsy and were included in this observational retrospective study. Histone H3 genes mutations were assessed by immunochemistry and direct sequencing, whilst global gene expression profiling and chromosomal imbalances were determined by microarrays. A full description of the MRI findings at diagnosis and at relapse was integrated with the molecular profiling data and clinical outcome. All DIPG but one were found to harbour either a somatic H3-K27M mutation and/or loss of H3K27 trimethylation. We also discovered a novel K27M mutation in HIST2H3C, and a lysine-to-isoleucine substitution (K27I) in H3F3A, also creating a loss of trimethylation. Patients with tumours harbouring a K27M mutation in H3.3 (H3F3A) did not respond clinically to radiotherapy as well, relapsed significantly earlier and exhibited more metastatic recurrences than those in H3.1 (HIST1H3B/C). H3.3-K27M-mutated DIPG have a proneural/oligodendroglial phenotype and a pro-metastatic gene expression signature with PDGFRA activation, while H3.1-K27M-mutated tumours exhibit a mesenchymal/astrocytic phenotype and a pro-angiogenic/hypoxic signature supported by expression profiling and radiological findings. H3K27 alterations appear as the founding event in DIPG and the mutations in the two main histone H3 variants drive two distinct oncogenic programmes with potential specific therapeutic targets.

Chris Jones, Jacques Grill and colleagues report the identification of recurrent activating mutations in ACVR1 in diffuse intrinsic pontine gliomas. Diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPGs) are highly infiltrative malignant glial neoplasms of the ventral pons that, due to their location within the brain, are unsuitable for surgical resection and consequently have a universally dismal clinical outcome. The median survival time is 9–12 months, with neither chemotherapeutic nor targeted agents showing substantial survival benefit in clinical trials in children with these tumors1. We report the identification of recurrent activating mutations in the ACVR1 gene, which encodes a type I activin receptor serine/threonine kinase, in 21% of DIPG samples. Strikingly, these somatic mutations (encoding p.Arg206His, p.Arg258Gly, p.Gly328Glu, p.Gly328Val, p.Gly328Trp and p.Gly356Asp substitutions) have not been reported previously in cancer but are identical to mutations found in the germ line of individuals with the congenital childhood developmental disorder fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP)2 and have been shown to constitutively activate the BMP–TGF-β signaling pathway. These mutations represent new targets for therapeutic intervention in this otherwise incurable disease.

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) is a fatal pediatric cancer with limited therapeutic options. The majority of cases of DIPG exhibit a mutation in histone-3 (H3K27M) that results in oncogenic transcriptional aberrancies. We show here that DIPG is vulnerable to transcriptional disruption using bromodomain inhibition or CDK7 blockade. Targeting oncogenic transcription through either of these methods synergizes with HDAC inhibition, and DIPG cells resistant to HDAC inhibitor therapy retain sensitivity to CDK7 blockade. Identification of super-enhancers in DIPG provides insights toward the cell of origin, highlighting oligodendroglial lineage genes, and reveals unexpected mechanisms mediating tumor viability and invasion, including potassium channel function and EPH receptor signaling. The findings presented demonstrate transcriptional vulnerabilities and elucidate previously unknown mechanisms of DIPG pathobiology.

COVID survivors frequently experience lingering neurological symptoms that resemble cancer-therapy-related cognitive impairment, a syndrome for which white matter microglial reactivity and consequent neural dysregulation is central. Here, we explored the neurobiological effects of respiratory SARS-CoV-2 infection and found white-matter-selective microglial reactivity in mice and humans. Following mild respiratory COVID in mice, persistently impaired hippocampal neurogenesis, decreased oligodendrocytes, and myelin loss were evident together with elevated CSF cytokines/chemokines including CCL11. Systemic CCL11 administration specifically caused hippocampal microglial reactivity and impaired neurogenesis. Concordantly, humans with lasting cognitive symptoms post-COVID exhibit elevated CCL11 levels. Compared with SARS-CoV-2, mild respiratory influenza in mice caused similar patterns of white-matter-selective microglial reactivity, oligodendrocyte loss, impaired neurogenesis, and elevated CCL11 at early time points, but after influenza, only elevated CCL11 and hippocampal pathology persisted. These findings illustrate similar neuropathophysiology after cancer therapy and respiratory SARS-CoV-2 infection which may contribute to cognitive impairment following even mild COVID.

Abstract Children and young adults with glioblastoma (GBM) have a median survival rate of only 12 to 15 months, and these GBMs are clinically and biologically distinct from histologically similar cancers in older adults. They are defined by highly specific mutations in the gene encoding the histone H3.3 variant H3F3A, occurring either at or close to key residues marked by methylation for regulation of transcription—K27 and G34. Here, we show that the cerebral hemisphere-specific G34 mutation drives a distinct expression signature through differential genomic binding of the K36 trimethylation mark (H3K36me3). The transcriptional program induced recapitulates that of the developing forebrain, and involves numerous markers of stem-cell maintenance, cell-fate decisions, and self-renewal. Critically, H3F3A G34 mutations cause profound upregulation of MYCN, a potent oncogene that is causative of GBMs when expressed in the correct developmental context. This driving aberration is selectively targetable in this patient population through inhibiting kinases responsible for stabilization of the protein. Significance: We provide the mechanistic explanation for how the first histone gene mutation in human disease biology acts to deliver MYCN, a potent tumorigenic initiator, into a stem-cell compartment of the developing forebrain, selectively giving rise to incurable cerebral hemispheric GBM. Using synthetic lethal approaches to these mutant tumor cells provides a rational way to develop novel and highly selective treatment strategies. Cancer Discov; 3(5); 512–19. ©2013 AACR. See related commentary by Huang and Weiss, p. 484 This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 471

Survivors of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) infection frequently experience lingering neurological symptoms, including impairment in attention, concentration, speed of information processing and memory. This long-COVID cognitive syndrome shares many features with the syndrome of cancer therapy-related cognitive impairment (CRCI). Neuroinflammation, particularly microglial reactivity and consequent dysregulation of hippocampal neurogenesis and oligodendrocyte lineage cells, is central to CRCI. We hypothesized that similar cellular mechanisms may contribute to the persistent neurological symptoms associated with even mild SARS-CoV-2 respiratory infection. Here, we explored neuroinflammation caused by mild respiratory SARS-CoV-2 infection - without neuroinvasion - and effects on hippocampal neurogenesis and the oligodendroglial lineage. Using a mouse model of mild respiratory SARS-CoV-2 infection induced by intranasal SARS-CoV-2 delivery, we found white matter-selective microglial reactivity, a pattern observed in CRCI. Human brain tissue from 9 individuals with COVID-19 or SARS-CoV-2 infection exhibits the same pattern of prominent white matter-selective microglial reactivity. In mice, pro-inflammatory CSF cytokines/chemokines were elevated for at least 7-weeks post-infection; among the chemokines demonstrating persistent elevation is CCL11, which is associated with impairments in neurogenesis and cognitive function. Humans experiencing long-COVID with cognitive symptoms (48 subjects) similarly demonstrate elevated CCL11 levels compared to those with long-COVID who lack cognitive symptoms (15 subjects). Impaired hippocampal neurogenesis, decreased oligodendrocytes and myelin loss in subcortical white matter were evident at 1 week, and persisted until at least 7 weeks, following mild respiratory SARS-CoV-2 infection in mice. Taken together, the findings presented here illustrate striking similarities between neuropathophysiology after cancer therapy and after SARS-CoV-2 infection, and elucidate cellular deficits that may contribute to lasting neurological symptoms following even mild SARS-CoV-2 infection.

The nervous system plays an increasingly appreciated role in the regulation of cancer. In malignant gliomas, neuronal activity drives tumor progression not only through paracrine signaling factors such as neuroligin-3 and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) 1–3 , but also through electrophysiologically functional neuron-to-glioma synapses 4–6 . Malignant synapses are mediated by calcium-permeable AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) receptors in both pediatric and adult high-grade gliomas 4, 5 , and consequent depolarization of the glioma cell membrane drives tumor proliferation 4 . The nervous system exhibits plasticity of both synaptic connectivity and synaptic strength, contributing to neural circuit form and functions. In health, one factor that promotes plasticity of synaptic connectivity 7, 8 and strength 9–13 is activity-regulated secretion of the neurotrophin BDNF. Here, we show that malignant synapses exhibit similar plasticity regulated by BDNF-TrkB (tropomyosin receptor kinase B) signaling. Signaling through the receptor TrkB 14 , BDNF promotes AMPA receptor trafficking to the glioma cell membrane, resulting in increased amplitude of glutamate-evoked currents in the malignant cells. This potentiation of malignant synaptic strength shares mechanistic features with the long-term potentiation (LTP) 15–23 that is thought to contribute to memory and learning in the healthy brain 22 24–27 28, 29 . BDNF-TrkB signaling also regulates the number of neuron-to-glioma synapses. Abrogation of activity-regulated BDNF secretion from the brain microenvironment or loss of TrkB in human glioma cells exerts growth inhibitory effects in vivo and in neuron:glioma co-cultures that cannot be explained by classical growth factor signaling alone. Blocking TrkB genetically or pharmacologically abrogates these effects of BDNF on glioma synapses and substantially prolongs survival in xenograft models of pediatric glioblastoma and diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG). Taken together, these findings indicate that BDNF-TrkB signaling promotes malignant synaptic plasticity and augments tumor progression.

Abstract Pediatric high-grade gliomas are the leading cause of brain cancer-related death in children. High-grade gliomas include clinically and molecularly distinct subtypes that stratify by anatomical location into diffuse midline gliomas (DMG) such as diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) and hemispheric high-grade gliomas. Neuronal activity drives high-grade glioma progression both through paracrine signaling 1,2 and direct neuron-to-glioma synapses 3–5 . Glutamatergic, AMPA receptor-dependent synapses between neurons and malignant glioma cells have been demonstrated in both pediatric 3 and adult high-grade gliomas 4 , but neuron-to-glioma synapses mediated by other neurotransmitters remain largely unexplored. Using whole-cell patch clamp electrophysiology, in vivo optogenetics and patient-derived glioma xenograft models, we have now identified functional, tumor-promoting GABAergic neuron-to-glioma synapses mediated by GABA A receptors in DMGs. GABAergic input has a depolarizing effect on DMG cells due to NKCC1 expression and consequently elevated intracellular chloride concentration in DMG tumor cells. As membrane depolarization increases glioma proliferation 3 , we find that the activity of GABAergic interneurons promotes DMG proliferation in vivo . Increasing GABA signaling with the benzodiazepine lorazepam – a positive allosteric modulator of GABA A receptors commonly administered to children with DMG for nausea or anxiety - increases GABA A receptor conductance and increases glioma proliferation in orthotopic xenograft models of DMG. Conversely, levetiracetam, an anti-epileptic drug that attenuates GABAergic neuron-to-glioma synaptic currents, reduces glioma proliferation in patient-derived DMG xenografts and extends survival of mice bearing DMG xenografts. Concordant with gene expression patterns of GABA A receptor subunit genes across subtypes of glioma, depolarizing GABAergic currents were not found in hemispheric high-grade gliomas. Accordingly, neither lorazepam nor levetiracetam influenced the growth rate of hemispheric high-grade glioma patient-derived xenograft models. Retrospective real-world clinical data are consistent with these conclusions and should be replicated in future prospective clinical studies. Taken together, these findings uncover GABAergic synaptic communication between GABAergic interneurons and diffuse midline glioma cells, underscoring a tumor subtype-specific mechanism of brain cancer neurophysiology with important potential implications for commonly used drugs in this disease context.