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.

ABSTRACT Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a common mode of oncogene amplification but is challenging to analyze. Here, we present a method for targeted purification of megabase-sized ecDNA by combining in-vitro CRISPR-Cas9 treatment and pulsed field gel electrophoresis of agarose-entrapped genomic DNA (CRISPR-CATCH). We demonstrate strong enrichment of ecDNA molecules containing EGFR , FGFR2 and MYC from human cancer cells. Targeted purification of ecDNA versus chromosomal DNA enabled phasing of genetic variants and provided definitive proof of an EGFRvIII mutation on ecDNA and wild-type EGFR on chromosomal DNA in a glioblastoma neurosphere model. CRISPR-CATCH followed by nanopore sequencing enabled single-molecule ecDNA methylation profiling and revealed hypomethylation of the EGFR promoter on ecDNA compared to the native chromosomal locus in the same cells. Finally, separation of ecDNA species by size and sequencing allowed accurate reconstruction of megabase- sized ecDNA structures with base-pair resolution. CRISPR-CATCH is a new addition to the toolkit for studying focal amplifications in cancer and will accelerate studies aiming to explore the genetic and epigenetic landscapes of ecDNA.

SUMMARY Extrachromosomal circular DNA (ecDNA) is an important driver of aggressive tumor growth, promoting high oncogene copy number, intratumoral heterogeneity, accelerated evolution of drug resistance, enhancer rewiring, and poor outcome. ecDNA has been reported in medulloblastoma (MB), the most common malignant pediatric brain tumor, but the ecDNA landscape and its association with specific MB subgroups, its impact on enhancer rewiring, and its potential clinical implications, are not known. We assembled a retrospective cohort of 468 MB patient samples with available whole genome sequencing (WGS) data covering the four major MB subgroups WNT, SHH, Group 3 and Group 4. Using computational methods for the detection and reconstruction of ecDNA 1 , we find ecDNA in 82 patients (18%) and observe that ecDNA+ MB patients are more than twice as likely to relapse and three times as likely to die of disease. In addition, we find that individual medulloblastoma tumors often harbor multiple ecDNAs, each containing different amplified oncogenes along with co-amplified non-coding regulatory enhancers. ecDNA was substantially more prevalent among 31 analyzed patient-derived xenograft (PDX) models and cell lines than in our patient cohort. By mapping the accessible chromatin and 3D conformation landscapes of MB tumors that harbor ecDNA, we observe frequent candidate “enhancer rewiring” events that spatially link oncogenes with co-amplified enhancers. Our study reveals the frequency and diversity of ecDNA in a subset of highly aggressive tumors and suggests enhancer rewiring as a frequent oncogenic mechanism of ecDNAs in MB. Further, these results demonstrate that ecDNA is a frequent and potent driver of poor outcome in MB patients.

Chromosomal instability (CIN) and epigenetic alterations are characteristics of advanced and metastatic cancers [1-4], yet whether they are mechanistically linked is unknown. Here we show that missegregation of mitotic chromosomes, their sequestration in micronuclei [5, 6], and subsequent micronuclear envelope rupture [7] profoundly disrupt normal histone post-translational modifications (PTMs), a phenomenon conserved across humans and mice as well as cancer and non-transformed cells. Some of the changes to histone PTMs occur due to micronuclear envelope rupture whereas others are inherited from mitotic abnormalities prior to micronucleus formation. Using orthogonal techniques, we show that micronuclei exhibit extensive differences in chromatin accessibility with a strong positional bias between promoters and distal or intergenic regions. Finally, we show that inducing CIN engenders widespread epigenetic dysregulation and that chromosomes which transit in micronuclei experience durable abnormalities in their accessibility long after they have been reincorporated into the primary nucleus. Thus, in addition to genomic copy number alterations, CIN can serve as a vehicle for epigenetic reprogramming and heterogeneity in cancer.

Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a central mechanism for focal oncogene amplification in cancer, occurring in approximately 15% of early-stage cancers and 30% of late-stage cancers. EcDNAs drive tumor formation, evolution, and drug resistance by dynamically modulating oncogene copy-number and rewiring gene-regulatory networks. Elucidating the genomic architecture of ecDNA amplifications is critical for understanding tumor pathology and developing more effective therapies. Paired-end short-read (Illumina) sequencing and mapping have been utilized to represent ecDNA amplifications using a breakpoint graph, where the inferred architecture of ecDNA is encoded as a cycle in the graph. Traversals of breakpoint graph have been used to successfully predict ecDNA presence in cancer samples. However, short-read technologies are intrinsically limited in the identification of breakpoints, phasing together of complex rearrangements and internal duplications, and deconvolution of cell-to-cell heterogeneity of ecDNA structures. Long-read technologies, such as from Oxford Nanopore Technologies, have the potential to improve inference as the longer reads are better at mapping structural variants and are more likely to span rearranged or duplicated regions. Here, we propose CoRAL (Complete Reconstruction of Amplifications with Long reads), for reconstructing ecDNA architectures using long-read data. CoRAL reconstructs likely cyclic architectures using quadratic programming that simultaneously optimizes parsimony of reconstruction, explained copy number, and consistency of long-read mapping. CoRAL substantially improves reconstructions in extensive simulations and 10 datasets from previously-characterized cell lines as compared to previous short and long-read based tools. As long-read usage becomes wide-spread, we anticipate that CoRAL will be a valuable tool for profiling the landscape and evolution of focal amplifications in tumors.

The chromosomal theory of inheritance has dominated human genetics, including cancer genetics. Genes on the same chromosome segregate together while genes on different chromosomes assort independently, providing a fundamental tenet of Mendelian inheritance. Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a frequent event in cancer that drives oncogene amplification, dysregulated gene expression and intratumoral heterogeneity, including through random segregation during cell division. Distinct ecDNA sequences, herein termed ecDNA species, can co-exist to facilitate intermolecular cooperation in cancer cells. However, how multiple ecDNA species within a tumor cell are assorted and maintained across somatic cell generations to drive cancer cell evolution is not known. Here we show that cooperative ecDNA species can be coordinately inherited through mitotic co-segregation. Imaging and single-cell analyses show that multiple ecDNAs encoding distinct oncogenes co-occur and are correlated in copy number in human cancer cells. EcDNA species are coordinately segregated asymmetrically during mitosis, resulting in daughter cells with simultaneous copy number gains in multiple ecDNA species prior to any selection. Computational modeling reveals the quantitative principles of ecDNA co-segregation and co-selection, predicting their observed distributions in cancer cells. Finally, we show that coordinated inheritance of ecDNAs enables co-amplification of specialized ecDNAs containing only enhancer elements and guides therapeutic strategies to jointly deplete cooperating ecDNA oncogenes. Coordinated inheritance of ecDNAs confers stability to oncogene cooperation and novel gene regulatory circuits, allowing winning combinations of epigenetic states to be transmitted across cell generations.

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.

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 BACKGROUND Oncogenes are commonly amplified on extrachromosomal DNA (ecDNA) contributing to poor outcomes for patients. Currently, the chronology of ecDNA development is not known. We studied the origination and evolution of ecDNA in patients with Barrett’s esophagus (BE) who progressed to esophageal adenocarcinoma (EAC). METHODS We analyzed whole-genome sequencing (WGS) data from a BE surveillance cohort and EAC patients at Cambridge University UK (n=206 patients). We also analyzed WGS data from biopsies taken at two time points from multiple sites in the esophagus from 80 patients enrolled in a case-control study at the Fred Hutchinson Cancer Center (FHCC) - 40 BE patients who progressed to EAC and 40 who did not. RESULTS ecDNA was detected in 24% and 43% of BE patients with BE-associated early and late-stage EAC, respectively, in the Cambridge cross-sectional cohort. ecDNA was found in 33% of all FHCC BE patients who developed cancer, either prior to, or at EAC diagnosis. ecDNA was strongly associated with patients who developed cancer, in contrast with FHCC BE patients who did not progress (odds ratio, 18.8, CI – 2.3-152, p=3.3×10-4). ecDNAs were enriched for oncogenes and immunomodulatory genes and could be detected early in the transition from high-grade dysplasia to cancer and increased in copy number and complexity over time. CONCLUSIONS ecDNAs can develop before a diagnosis of cancer in BE patients and are strongly selected for during the evolution to EAC. ecDNAs promote diverse oncogene and immunomodulatory gene amplification during EAC development and progression.