Oncogenic Fusion Events in Comprehensive Multi-omics Analysis of Central Nervous System Tumors : A Single-Institution Experience with Molecular Classification and Personalized Treatment Strategies = 중추신경계 종양의 포괄적 멀티오믹스 분석을 통한 종양 유전자 융합 현상:단일 기관 분자 분류 및 맞춤형 치료 전략 경험

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Background: Gene fusions have emerged as critical molecular events in the pathogenesis of central nervous system (CNS) tumors, with significant implications for both diagnosis and therapy. While their utility in tumor classification is well established, the full clinical potential of fusion-driven CNS tumors is still being elucidated. Here, we present a comprehensive institutional experience from Seoul National University Hospital (SNUH), focusing on the prevalence, actionability, and clinical outcomes associated with gene fusions in CNS tumors.

Methods: A retrospective analysis was conducted on 809 CNS tumors diagnosed at SNUH between 2017 and 2024. All cases underwent molecular profiling through next-generation sequencing (NGS) using FiRST Brain Tumor Panel, which integrates DNA and RNA sequencing to maximize fusion detection. A total of 217 fusion-positive cases were identified. Fusion-positive cases were further evaluated for therapeutic actionability according to European Society for Medical Oncology Scale for Clinical Actionability of molecular Targets (ESMO’s ESCAT) criteria. Clinical outcomes were recorded for patients who received fusion-targeted therapies.

Results: Out of 809 CNS tumors, 217 (26.8%) were identified as fusion-positive, with 153 (18.9%) meeting ESCAT tier III or higher for clinical actionability. Fusion prevalence was markedly higher in pediatric tumors (53.3%) compared to adults (11.0%, p < 0.001), and pediatric low-grade gliomas (LGGs) were particularly enriched for BRAF fusions (44%). Among gliomas, fusion detection was significantly higher in IDH-wildtype tumors (20.7%) compared to IDH-mutant tumors (1.5%). Among 14 patients treated with fusion-directed therapies, pediatric cases (n=5) demonstrated the most favorable responses: 4 out of 5 achieved stable disease, with a median overall survival of 48 months, including durable control using TRK inhibitors in NTRK-fused tumors. In contrast, adult GBMs responded poorly to target therapy. Only one ROS1-fused GBM achieved long-term survival (60 months), while others progressed within 16 to 33 months. NTRK2 was the predominant NTRK fusion type in CNS tumors (82.4% of NTRK fusions), contrasting with the dominance of NTRK3 in other solid tumors. FGFR3 and MET fusions were common in adult GBMs (32% and 18%, respectively), but showed limited response to monotherapy. One out of five multifusion cases showed a poor match upon methylation clustering, but because this was within the reported error rate of methylation clustering, the effect could not be attributed to a confounding effect by the presence of multiple concurrent fusions.

Conclusion: This study establishes the diagnostic and therapeutic utility of using NGS in CNS tumor fusion detection, with actionable fusions identified in 18.9% of SNUH cases. Pediatric LGGs (53.3% fusion prevalence) and GBMs (20.7%) showed the highest clinical relevance, supporting routine NGS screening. While pediatric patients achieved durable responses to targeted therapies like TRK inhibitors, adult GBMs exhibited limited monotherapy efficacy, underscoring the need for combinational treatment strategies. Our findings highlight institutional fusion profiling and biomarker-driven trials to expand effective targeted treatments.

국문 초록 (Abstract)

배경: 중추신경계 종양에서 발생하는 유전자 융합은 진단과 치료에 있어 중요한 역할을 한다. 최근까지 대부분의 융합 유전자는 병리학적 진단을 보조하는데 활용되어 왔으나, 정밀의학의 발전에 따라 일부 융합 유전자가 표적치료의 대상으로 주목 받고 있다.

방법: 본 연구는 2017년부터 2024년까지 서울대학교병원에서 진단된 중추신경계 종양 809건을 대상으로 후향적으로 분석을 실시하였다. 유전자 이상 검사는 뇌종양 특이 DNA 및 RNA 유전자 패널인 ‘FiRST 뇌종양 패널’을 활용하여 차세대염기서열분석(NGS)으로 수행하였으며, 검출된 융합 유전자의 치료 적용 가능성은 European Society for Medical Oncology (ESMO)의 ESMO Scale for Clinical Actionability of molecular Targets (ESCAT)의 기준에 따라 평가하였다. 총 217건(26.8%)에서 유전자 융합이 확인되었으며, 이 중 153건(65.4%)이 ESCAT III등급 이상에 해당하였다. 또한 융합 표적 치료를 받은 환자들의 임상 경과도 함께 분석하였다.

결과: 서울대학교병원에서의 융합 유전자 검출률은 18.9%로 나타났다. 이러한 높은 검출률은 소아 종양에서의 융합 빈도가 성인에 비해 유의하게 높았기 때문이며(53.3% vs. 11.0%, p<0.001), 특히 소아 저등급 신경교종에서 BRAF 융합이 전체의 44%를 차지하였는데, 이는 주로 모양세포성 성상세포종에서 관찰되었다. IDH-wildtype 교모세포종(GBM)에서의 융합 검출률은 IDH-mutant 교종에 비해 높았으며(20.7% vs. 1.5%), 융합 표적 치료를 받은 14명의 환자 중 소아 환자(5명)는 가장 우수한 치료 반응을 보였고, 이 중 4명은 병의 안정 상태를 유지하였다. 특히 NTRK2 융합 종양에 대해 TRK 억제제 치료를 받은 환자는 장기간 병변 조절을 이루었으며, 중앙 생존 기간은 48개월이었다. 반면, 성인 교모세포종 환자들은 ROS1 융합 환자 1명을 제외하고는 모두 16~33개월 이내에 병이 진행되어 치료 반응이 제한적이었다. 추가적으로, 중추신경계 종양에서 NTRK 융합 중 NTRK2가 82.4%로 가장 높은 비중을 차지하였으며, 이는 체외 종양에서 NTRK3가 우세한 것과 대조적이었다. 성인 교모세포종에서는 FGFR3 및 MET 융합이 각각 32%와 18%로 가장 흔히 확인되었으나, 단독 요법에 대한 반응은 제한적이었고, 복합 요법의 필요성이 제기되었다. 다중 융합이 동반된 5건 중 1건에서는 메틸화 기반 분류가 이루어지지 않았으나, 이는 기존 메틸화 분류의 오류율과 유사하여 다중 융합의 영향으로 보기는 어려웠다.

결론: 서울대학교병원은 최적화된 NGS 분석 체계와 소아 종양에 대한 전문성을 바탕으로 소아 저등급 신경교종 환자에서 57%의 의미 있는 임상적 이점을 확인하였다. 반면, 성인 교모세포종 환자에서는 보다 적극적인 복합 치료 전략이 필요함을 시사하였다. 본 연구 결과는 중추신경계 종양에서 유전자 융합에 대한 정기적 검사와 효과적인 표적 치료 옵션 확대를 위한 바이오마커 기반 임상시험의 중요성을 강조한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction １
• 1.1 Study Background １
• 1.2 Purpose of Research 11
• Chapter 2. Methods 12
• 2.1 Retrospective cohort selection 12
• 2.2 Histopathologic, Special Staining, and Immunohistochemical Examinations 12
• 2.3 DNA and RNA extraction, O6-methylguanine methyltransferase promoter (MGMTp) methylation-specific PCR, and next-generation sequencing (NGS) 13
• 2.4 RNA fusion analysis 14
• 2.5 Methylation study using an Epic 850K BeadChip microarray 14
• 2.6 Statistical Analysis 15
• Chapter 3. Results 16
• 3.1 Mutational Landscape of All Fusion-Positive CNS Tumors at SNUH 16
• 3.2 Comparison of Fusion-positive versus Fusion-negative Low-grade gliomas 22
• 3.3 Comparison of Fusion-Positive versus Fusion-Negative Ependymomas 34
• 3.4 Comparison of Fusion-Positive versus Fusion-Negative Glioblastomas 39
• 3.5 Mutational Landscape of Fusion-Positive High-Grade CNS Tumors other than GBMs or EPNs 54
• 3.6 Targetable Cases in the SNUH cohort and Therapeutic Summary 61
• 3.7 Methylation Clustering of CNS Tumors with Multiple Fusions 68
• Chapter 4. Discussion 71
• 4.1 Targeting Fusions in Central Nervous System Tumors 71
• 4.2 On the methylation results of the multifusion cases 77
• 4.3 Limitations and Future Directions 78
• Chapter 5. Conclusion 79
• References 80
• Supplementary Information 86
• Competing interests 89
• Ethics approval and consent to participate 89
• 국문 초록 90