Human cells have twenty-three pairs of chromosomes. In cancer, however, genes can be amplified in chromosomes or in circular extrachromosomal DNA (ecDNA), although the frequency and functional importance of ecDNA are not understood. We performed whole-genome sequencing, structural modelling and cytogenetic analyses of 17 different cancer types, including analysis of the structure and function of chromosomes during metaphase of 2,572 dividing cells, and developed a software package called ECdetect to conduct unbiased, integrated ecDNA detection and analysis. Here we show that ecDNA was found in nearly half of human cancers; its frequency varied by tumour type, but it was almost never found in normal cells. Driver oncogenes were amplified most commonly in ecDNA, thereby increasing transcript level. Mathematical modelling predicted that ecDNA amplification would increase oncogene copy number and intratumoural heterogeneity more effectively than chromosomal amplification. We validated these predictions by quantitative analyses of cancer samples. The results presented here suggest that ecDNA contributes to accelerated evolution in cancer.

Extrachromosomal DNA (ecDNA) amplification promotes intratumoral genetic heterogeneity and accelerated tumor evolution1–3; however, its frequency and clinical impact are unclear. Using computational analysis of whole-genome sequencing data from 3,212 cancer patients, we show that ecDNA amplification frequently occurs in most cancer types but not in blood or normal tissue. Oncogenes were highly enriched on amplified ecDNA, and the most common recurrent oncogene amplifications arose on ecDNA. EcDNA amplifications resulted in higher levels of oncogene transcription compared to copy number-matched linear DNA, coupled with enhanced chromatin accessibility, and more frequently resulted in transcript fusions. Patients whose cancers carried ecDNA had significantly shorter survival, even when controlled for tissue type, than patients whose cancers were not driven by ecDNA-based oncogene amplification. The results presented here demonstrate that ecDNA-based oncogene amplification is common in cancer, is different from chromosomal amplification and drives poor outcome for patients across many cancer types. A pan-cancer analysis finds that extrachromosomal DNA is pervasive and associated with oncogene amplification and poor patient outcomes.

Oncogene amplification is a major driver of cancer pathogenesis. Breakage fusion bridge (BFB) cycles, like extrachromosomal DNA (ecDNA), can lead to high copy numbers of oncogenes, but their impact on intratumoral heterogeneity, treatment response, and patient survival are not well understood due to difficulty in detecting them by DNA sequencing. We describe a novel algorithm that detects and reconstructs BFB amplifications using optical genome maps (OGMs), called OM2BFB. OM2BFB showed high precision (>93%) and recall (92%) in detecting BFB amplifications in cancer cell lines, PDX models and primary tumors. OM-based comparisons demonstrated that short-read BFB detection using our AmpliconSuite (AS) toolkit also achieved high precision, albeit with reduced sensitivity. We detected 371 BFB events using whole genome sequences from 2,557 primary tumors and cancer lines. BFB amplifications were preferentially found in cervical, head and neck, lung, and esophageal cancers, but rarely in brain cancers. BFB amplified genes show lower variance of gene expression, with fewer options for regulatory rewiring relative to ecDNA amplified genes. BFB positive (BFB (+)) tumors showed reduced heterogeneity of amplicon structures, and delayed onset of resistance, relative to ecDNA(+) tumors. EcDNA and BFB amplifications represent contrasting mechanisms to increase the copy numbers of oncogene with markedly different characteristics that suggest different routes for intervention.

Focal oncogene amplification and rearrangements drive tumor growth and evolution in multiple cancer types. We developed a tool, AmpliconArchitect (AA), which can robustly reconstruct the fine structure of focally amplified regions using whole genome sequencing. AA-reconstructed amplicons in pan-cancer data and in virus-driven cervical cancer samples revealed many novel insights about focal amplifications. Specifically, the findings lend support to extrachromosomally mediated mechanisms for copy number expansion, and oncoviral pathogenesis.

The mammalian visual system, from retina to neocortex, has been extensively studied at both anatomical and functional levels. Anatomy indicates the corticothalamic system is hierarchical, but characterization of cellular-level functional interactions across multiple levels of this hierarchy is lacking, partially due to the challenge of simultaneously recording activity across numerous regions. Here, we describe a large, open dataset (part of the Allen Brain Observatory ) that surveys spiking from units in six cortical and two thalamic regions responding to a battery of visual stimuli. Using spike cross-correlation analysis, we find that inter-area functional connectivity mirrors the anatomical hierarchy from the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas . Classical functional measures of hierarchy, including visual response latency, receptive field size, phase-locking to a drifting grating stimulus, and autocorrelation timescale are all correlated with the anatomical hierarchy. Moreover, recordings during a visual task support the behavioral relevance of hierarchical processing. Overall, this dataset and the hierarchy we describe provide a foundation for understanding coding and dynamics in the mouse corticothalamic visual system.

Oncogene amplification, a major driver of cancer pathogenicity, is often mediated through focal amplification of genomic segments. Recent results implicate extrachromosomal DNA (ecDNA) as the primary mechanism driving focal copy number amplification (fCNA) - enabling gene amplification, rapid tumor evolution, and the rewiring of regulatory circuitry. Resolving an fCNA’s structure is a first step in deciphering the mechanisms of its genesis and the subsequent biological consequences. Here, we introduce a powerful new computational method, AmpliconReconstructor (AR), for integrating optical mapping (OM) of long DNA fragments (>150kb) with next-generation sequencing (NGS) to resolve fCNAs at single-nucleotide resolution. AR uses an NGS-derived breakpoint graph alongside OM scaffolds to produce high-fidelity reconstructions. After validating performance by extensive simulations, we used AR to reconstruct fCNAs in seven cancer cell lines to reveal the complex architecture of ecDNA, breakage-fusion-bridge cycles, and other complex rearrangements. By distinguishing between chromosomal and extrachromosomal origins, and by reconstructing the rearrangement signatures associated with a given fCNA’s generative mechanism, AR enables a more thorough understanding of the origins of fCNAs, and their functional consequences.

Abstract Fluorescence microscopy benefits from spatially and temporally homogeneous illumination with illumination area matched to the shape and size of the camera sensor. Fiber-coupled illumination schemes have the added benefit of straightforward and robust alignment and ease of installation compared to free-space coupled illumination. Commercial and open-source fiber-coupled, homogenized illumination schemes have recently become available to the public; however, there have been no published comparisons of speckle reduction schemes to date. We characterize three different multimode fibers in combination with two laser speckle reduction devices and compare spatial and temporal profiles to a commercial unit. This work yields a new design, the EvenField Illuminator, which is freely available along for researchers to integrate into their own imaging systems.

Many current cellular models aimed at elucidating cancer biology do not recapitulate pathobiology including tumor heterogeneity, an inherent feature of cancer that underlies treatment resistance. Here we introduce a new cancer modeling paradigm using genetically engineered human pluripotent stem cells (hiPSCs) that capture authentic cancer pathobiology. Orthotopic engraftment of neural progenitor cells derived from hiPSCs that have been genome-edited to contain tumor-associated genetic driver mutations revealed by The Cancer Genome Atlas project for glioblastoma (GBM) result in formation of high-grade gliomas. As observed in GBM patient samples, these models harbor inter-tumor heterogeneity resembling different GBM molecular subtypes, and intra-tumor heterogeneity. Further, re-engraftment of primary tumor neurospheres generates secondary tumors with features characteristic of patient samples and present mutation-dependent patterns of tumor evolution. Thus, these cancer avatar models provide a platform for a comprehensive longitudinal assessment of human tumor development as governed by molecular subtype mutations and lineage-restricted differentiation.

Extrachromosomal DNA (ecDNA) amplification promotes high oncogene copy number, intratumoral genetic heterogeneity, and accelerated tumor evolution, but its frequency and clinical impact are not well understood. Here we show, using computational analysis of whole-genome sequencing data from 1,979 cancer patients, that ecDNA amplification occurs in at least 26% of human cancers, of a wide variety of histological types, but not in whole blood or normal tissue. We demonstrate a highly significant enrichment for oncogenes on amplified ecDNA and that the most common recurrent oncogene amplifications arise on ecDNA. EcDNA amplifications resulted in higher levels of oncogene transcription compared to copy number matched linear DNA, coupled with enhanced chromatin accessibility. Patients whose tumors have ecDNA-based oncogene amplification showed increase of cell proliferation signature activity, greater likelihood of lymph node spread at initial diagnosis, and significantly shorter survival, even when controlled for tissue type, than do patients whose cancers are not driven by ecDNA-based oncogene amplification. The results presented here demonstrate that ecDNA-based oncogene amplification plays a central role in driving the poor outcome for patients with some of the most aggressive forms of cancers.