Abstract Mitotic errors lead to aneuploidy, a condition of karyotype imbalance, frequently found in cancer cells. Alterations in chromosome copy number induce a wide variety of cellular stresses, including genome instability. Here, we show that cancer cells might exploit aneuploidy-induced genome instability to survive under conditions of selective pressure, such as chemotherapy. Resistance to chemotherapeutic drugs was dictated by the acquisition of recurrent karyotypes, indicating that gene dosage, together with mutational burden, might play a role in driving chemoresistance. Thus, our study establishes a causal link between aneuploidy-driven genome instability and chemoresistance and might explain why some chemotherapies fail to succeed.

Abstract Selective targeting of aneuploid cells is an attractive strategy for cancer treatment. Here, we mapped the aneuploidy landscapes of ~1,000 human cancer cell lines and classified them by their degree of aneuploidy. Next, we performed a comprehensive analysis of large-scale genetic and chemical perturbation screens, in order to compare the cellular vulnerabilities between near-diploid and highly-aneuploid cancer cells. We identified and validated an increased sensitivity of aneuploid cancer cells to genetic perturbation of core components of the spindle assembly checkpoint (SAC), which ensures the proper segregation of chromosomes during mitosis. Surprisingly, we also found highly-aneuploid cancer cells to be less sensitive to short-term exposures to multiple inhibitors of the SAC regulator TTK . To resolve this paradox and to uncover its mechanistic basis, we established isogenic systems of near-diploid cells and their aneuploid derivatives. Using both genetic and chemical inhibition of BUB1B , MAD2 and TTK , we found that the cellular response to SAC inhibition depended on the duration of the assay, as aneuploid cancer cells became increasingly more sensitive to SAC inhibition over time. The increased ability of aneuploid cells to slip from mitotic arrest and to keep dividing in the presence of SAC inhibition was coupled to aberrant spindle geometry and dynamics. This resulted in a higher prevalence of mitotic defects, such as multipolar spindles, micronuclei formation and failed cytokinesis. Therefore, although aneuploid cancer cells can overcome SAC inhibition more readily than diploid cells, the proliferation of the resultant aberrant cells is jeopardized. At the molecular level, analysis of spindle proteins identified a specific mitotic kinesin, KIF18A , whose levels were drastically reduced in aneuploid cancer cells. Aneuploid cancer cells were particularly vulnerable to KIF18A depletion, and KIF18A overexpression restored the sensitivity of aneuploid cancer cells to SAC inhibition. In summary, we identified an increased vulnerability of aneuploid cancer cells to SAC inhibition and explored its cellular and molecular underpinnings. Our results reveal a novel synthetic lethal interaction between aneuploidy and the SAC, which may have direct therapeutic relevance for the clinical application of SAC inhibitors.

Abstract Aneuploidy, an abnormal chromosome composition, results in a stoichiometric imbalance of protein complexes, which jeopardizes the fitness of aneuploid cells. Aneuploid cells thus need to compensate for the imbalanced DNA levels by regulating their RNA and protein levels, a phenomenon known as dosage compensation. However, the molecular mechanisms involved in dosage compensation in human cells – and whether they can be targeted to selectively kill aneuploid cancer cells – remain unknown. Here, we addressed this question via molecular dissection of multiple diploid vs. aneuploid cell models. Using genomic and functional profiling of a novel isogenic system of RPE1-hTERT cells with various degrees of aneuploidy, we found that aneuploid cells cope with both transcriptional burden and proteotoxic stress. At the mRNA level, aneuploid cells increased RNA synthesis, but concomitantly elevated several RNA degradation pathways, in particular the nonsense-mediated decay (NMD) and the microRNA-mediated mRNA silencing pathways. Consequently, aneuploid cells were more sensitive to the genetic or chemical perturbation of several key components of these RNA degradation pathways. At the protein level, aneuploid cells experienced proteotoxic stress, resulting in reduced translation and increased protein degradation, rendering them more sensitive to proteasome inhibition. These findings were recapitulated across hundreds of human cancer cell lines and primary tumors, confirming that both non-transformed and transformed cells alter their RNA and protein metabolism in order to adapt to the aneuploid state. Our results reveal that aneuploid cells are dependent on the over- or under-activation of several nodes along the gene expression process, identifying these pathways as clinically-actionable vulnerabilities of aneuploid cells.

Chromosomal instability (CIN) generates micronuclei-aberrant extranuclear structures that catalyze the acquisition of complex chromosomal rearrangements present in cancer. Micronuclei are characterized by persistent DNA damage and catastrophic nuclear envelope collapse, which exposes DNA to the cytoplasm. We found that the autophagic receptor p62/SQSTM1 modulates micronuclear stability, influencing chromosome fragmentation and rearrangements. Mechanistically, proximity of micronuclei to mitochondria led to oxidation-driven homo-oligomerization of p62, limiting endosomal sorting complex required for transport (ESCRT)-dependent micronuclear envelope repair by triggering autophagic degradation. We also found that p62 levels correlate with increased chromothripsis across human cancer cell lines and with increased CIN in colorectal tumors. Thus, p62 acts as a regulator of micronuclei and may serve as a prognostic marker for tumors with high CIN.

Abstract Chromosome instability (CIN) is the most common form of genome instability and is a hallmark of cancer. CIN invariably leads to aneuploidy, a state of karyotype imbalance. Here, we show that aneuploidy can also trigger CIN. We found that aneuploid cells experience DNA replication stress in their first S-phase and precipitate in a state of continuous CIN. This generates a repertoire of genetically diverse cells that can either continue proliferating or stop dividing. Cycling aneuploid cells display lower karyotype complexity compared to the arrested ones and increased expression of DNA repair signatures. Interestingly, the same signatures were upregulated in highly-proliferative cancer cells, which might enable them to proliferate despite the disadvantage conferred by aneuploidy-induced CIN. Altogether, our study reveals the short-term origins of CIN following aneuploidy and indicates the aneuploid state of cancer cells as a point mutation-independent source of genome instability, providing an explanation for aneuploidy occurrence in tumors.

Abstract The gene neurofibromatosis 1 (NF1) is increasingly recognized as a key somatic driver of cancerogenesis, in addition to its well-known role as the germline determinant of the onco-developmental syndrome Neurofibromatosis. NF1 is best characterized as a negative regulator of RAS activation, but several lines of evidence suggest that it may have additional, poorly characterized functions. In breast cancer, NF1 loss is known to be associated with resistance to endocrine and HER2-targeted therapy. Here, using HER2+ breast cancer cell lines engineered to ablate NF1 by CRISPR-Cas9 and in vitro reductionist models, we show that NF1 is a bona fide Microtubule-Associated Protein (MAP) with a novel, RAS-independent role in regulating dynamic instability and intra-lattice repair of microtubules. We show that loss of NF1 results in multiple mitotic defects (enlarged mitotic plate, delayed mitotic exit, supranumerary centrosomes and chromosome misalignment) that generate a low-grade aneuploidy that can also be measured as increased aneuploidy score in breast cancer patients bearing pathogenic NF1 mutations. Loss of NF1 leads to increased sensitivity to the approved Antibody-Drug Conjugate T-DM1 and in particular to its payload of the maytansin family, thus representing the first payload-specific predictive biomarker. These findings highlight a novel function for an established tumor suppressor and support the assessment of NF1 status to guide tailored treatment decision in breast cancer

Abstract Aneuploidy is a hallmark of human cancer, yet the cellular mechanisms that allow cells to cope with aneuploidy-induced cellular stresses remain largely unknown. Such coping mechanisms may present cellular vulnerabilities that can be harnessed for targeting cancer cells. Here, we induced aneuploidy in non-transformed RPE1-hTERT cells and derived multiple stable clones with various degrees of chromosome imbalances. We performed an unbiased genomic profiling of 6 isogenic clones, using whole-exome and RNA sequencing. We then functionally interrogated their cellular dependency landscapes, using genome-wide CRISPR/Cas9 screens and large-scale drug screens. We found that aneuploid clones activated the DNA damage response (DDR), and were consequently more resistant to further DNA damage induction. Interestingly, aneuploid cells also exhibited elevated RAF/MEK/ERK pathway activity, and were more sensitive to several clinically-relevant drugs targeting this pathway, and in particular to genetic and chemical CRAF inhibition. CRAF activity was functionally linked to the resistance to DNA damage induction, as CRAF inhibition sensitized aneuploid cells to DNA damage-inducing chemotherapies. The association between aneuploidy, RAF/MEK/ERK signaling, and DDR was independent of p53. The increased activity and dependency of aneuploid cells on the RAF/MEK/ERK pathway was validated in another isogenic aneuploid system, and across hundreds of human cancer cell lines, confirming their relevance to human cancer. Overall, our study provides a comprehensive resource for genetically-matched karyotypically-stable cells of various aneuploidy states, and reveals a novel therapeutically-relevant cellular dependency of aneuploid cells.