Cranial radiation therapy causes a progressive decline in cognitive function that is linked to impaired neurogenesis. Chronic inflammation accompanies radiation injury, suggesting that inflammatory processes may contribute to neural stem cell dysfunction. Here, we show that neuroinflammation alone inhibits neurogenesis and that inflammatory blockade with indomethacin, a common nonsteroidal anti-inflammatory drug, restores neurogenesis after endotoxin-induced inflammation and augments neurogenesis after cranial irradiation.

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.

On-Demand Activity Oligodendroglia ensheath axons in the brain with myelin, which provides the insulation that speeds up transmission of neuronal electrical impulses. The process of myelination in the human brain goes on for decades, concurrent with all manner of brain development and cognitive activity. Gibson et al. (p. 10.1126/science.1252304 , published online 10 April; see the Perspective by Bechler and ffrench-Constant ) used optogenetics to study myelination in response to neural activity. Electrical activity in the motor cortex of the brain of awake mice led to proliferation and differentiation of oligodendrocytes and consequently increased myelination and alterations in motor response.

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.

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.

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.

Two recurrent mutations, K27M and G34R/V, within histone variant H3.3 were recently identified in ∼50% of pHGGs. Both mutations define clinically and biologically distinct subgroups of pHGGs. Here, we provide further insight about the dominant-negative effect of K27M mutant H3.3, leading to a global reduction of the repressive histone mark H3K27me3. We demonstrate that this is caused by aberrant recruitment of the PRC2 complex to K27M mutant H3.3 and enzymatic inhibition of the H3K27me3-establishing methyltransferase EZH2. By performing chromatin immunoprecipitation followed by next-generation sequencing and whole-genome bisulfite sequencing in primary pHGGs, we show that reduced H3K27me3 levels and DNA hypomethylation act in concert to activate gene expression in K27M mutant pHGGs.

A wide variety of in vivo manipulations influence neurogenesis in the adult hippocampus. It is not known, however, if adult neural stem/progenitor cells (NPCs) can intrinsically sense excitatory neural activity and thereby implement a direct coupling between excitation and neurogenesis. Moreover, the theoretical significance of activity-dependent neurogenesis in hippocampal-type memory processing networks has not been explored. Here we demonstrate that excitatory stimuli act directly on adult hippocampal NPCs to favor neuron production. The excitation is sensed via Cav1.2/1.3 (L-type) Ca2+ channels and NMDA receptors on the proliferating precursors. Excitation through this pathway acts to inhibit expression of the glial fate genes Hes1 and Id2 and increase expression of NeuroD, a positive regulator of neuronal differentiation. These activity-sensing properties of the adult NPCs, when applied as an “excitation-neurogenesis coupling rule” within a Hebbian neural network, predict significant advantages for both the temporary storage and the clearance of memories.

Summary

 Active neurons exert a mitogenic effect on normal neural precursor and oligodendroglial precursor cells, the putative cellular origins of high-grade glioma (HGG). By using optogenetic control of cortical neuronal activity in a patient-derived pediatric glioblastoma xenograft model, we demonstrate that active neurons similarly promote HGG proliferation and growth in vivo. Conditioned medium from optogenetically stimulated cortical slices promoted proliferation of pediatric and adult patient-derived HGG cultures, indicating secretion of activity-regulated mitogen(s). The synaptic protein neuroligin-3 (NLGN3) was identified as the leading candidate mitogen, and soluble NLGN3 was sufficient and necessary to promote robust HGG cell proliferation. NLGN3 induced PI3K-mTOR pathway activity and feedforward expression of NLGN3 in glioma cells. NLGN3 expression levels in human HGG negatively correlated with patient overall survival. These findings indicate the important role of active neurons in the brain tumor microenvironment and identify secreted NLGN3 as an unexpected mechanism promoting neuronal activity-regulated cancer growth.