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.

The highly lethal brain cancer glioblastoma (GBM) poses a daunting challenge because the blood-brain barrier renders potentially druggable amplified or mutated oncoproteins relatively inaccessible. Here, we identify sphingomyelin phosphodiesterase 1 (SMPD1), an enzyme that regulates the conversion of sphingomyelin to ceramide, as an actionable drug target in GBM. We show that the highly brain-penetrant antidepressant fluoxetine potently inhibits SMPD1 activity, killing GBMs, through inhibition of epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling and via activation of lysosomal stress. Combining fluoxetine with temozolomide, a standard of care for GBM, causes massive increases in GBM cell death and complete tumor regression in mice. Incorporation of real-world evidence from electronic medical records from insurance databases reveals significantly increased survival in GBM patients treated with fluoxetine, which was not seen in patients treated with other selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI) antidepressants. These results nominate the repurposing of fluoxetine as a potentially safe and promising therapy for patients with GBM and suggest prospective randomized clinical trials.

The foundational principles of Darwinian evolution are variation, selection, and identity by descent. Oncogene amplification on extrachromosomal DNA (ecDNA) is a common event, driving aggressive tumour growth, drug resistance, and shorter survival in patients 1-4 . Currently, the impact of non-chromosomal oncogene inheritance—random identity by descent—is not well understood. Neither is the impact of ecDNA on variation and selection. Here, integrating mathematical modeling, unbiased image analysis, CRISPR-based ecDNA tagging, and live-cell imaging, we identify a set of basic “rules” for how random ecDNA inheritance drives oncogene copy number and distribution, resulting in extensive intratumoural ecDNA copy number heterogeneity and rapid adaptation to metabolic stress and targeted cancer treatment. Observed ecDNAs obligatorily benefit host cell survival or growth and can change within a single cell cycle. In studies ranging from well-curated, patient-derived cancer cell cultures to clinical tumour samples from patients with glioblastoma and neuroblastoma treated with oncogene-targeted drugs, we show how these ecDNA inheritance “rules” can predict, a priori , some of the aggressive features of ecDNA-containing cancers. These properties are entailed by their ability to rapidly change their genomes in a way that is not possible for cancers driven by chromosomal oncogene amplification. These results shed new light on how the non-chromosomal random inheritance pattern of ecDNA underlies poor outcomes for cancer patients.

Background & Aims: Biliary Atresia (BA) is a devastating fibro-inflammatory biliary disease that is the leading indication for pediatric liver transplants worldwide. Although cholangiocytes are the primary target cells, the pathogenic mechanisms involving cholangiocytes remain elusive. Here, we aimed to characterize the pathogenic role of cholangiocytes in BA. Approach & Results: Integration of single-cell RNA sequencing of 12 liver tissues (from 9 BA and 3 controls) and the spatial transcriptome of another four liver sections (from 2 BA and 2 controls) provided a comprehensive spatial liver cell atlas of BA. In particular, we identified a cholangiocyte-enriched spatial niche with infiltration of activated hepatic stellate cells, activated portal fibroblasts, macrovascular endothelial cells and TREM2 + macrophages that were elevated in the portal triad of BA. This niche was positively correlated with bile duct profiles, liver fibrosis and poor survival in two independent cohorts of patients with BA. Using integrative bioinformatics analyses to mine the cell-cell communication and regulatory network in BA cholangiocytes, we uncovered the fibro-inflammatory phenotype of cholangiocytes with TNFSF12-TNFRSF12A as a significant signal. Genetic ablation or blockade of TNFRSF12A suppresses liver injury, inflammation, and bile duct profiles in a mouse model of disease. Using human biliary organoids, we revealed that BA organoids expressed higher levels of CCL2 in response to TNFSF12 stimulation and promoted monocyte chemotaxis via the CCL2-CCR2 axis. Conclusions: Pathogenic cholangiocytes enriched niche identifies TNFRSF12A as a potential therapeutic target for BA.

Abstract Precision medicine depends critically on developing treatment strategies that can selectively target cancer cells with minimal adverse effects. Identifying unique transcriptional regulators of oncogenic signaling, and targeting cancer-cell-specific enhancers that may be active only in specific tumor cell lineages, could provide the necessary high specificity, but a scarcity of functionally validated enhancers in cancer cells presents a significant hurdle to this strategy. We address this limitation by carrying out large-scale functional screens for pro-growth enhancers using highly multiplexed CRISPR-based perturbation and sequencing in multiple cancer cell lines. We used this strategy to identify 488 pro-growth enhancers in a colorectal cancer cell line and 22 functional enhancers for the MYC and MYB key oncogenes in an additional nine cancer cell lines. The majority of pro-growth enhancers are accessible and presumably active only in cancer cells but not in normal tissues, and are enriched for elements associated with poor prognosis in colorectal cancer. We further identify master transcriptional regulators and demonstrate that the cancer pro-growth enhancers are modulated by lineage-specific transcription factors acting downstream of growth signaling pathways. Our results uncover context-specific, potentially actionable pro-growth enhancers from cancer cells, yielding insight into altered oncogenic transcription and revealing potential therapeutic targets for cancer treatment.

Extrachromosomal DNA is a common cause of oncogene amplification in cancer. The non-chromosomal inheritance of ecDNA enables tumors to rapidly evolve, contributing to treatment resistance and poor outcome for patients. The transcriptional context in which ecDNAs arise and progress, including chromosomally-driven transcription, is incompletely understood. We examined gene expression patterns of 870 tumors of varied histological types, to identify transcriptional correlates of ecDNA. Here we show that ecDNA containing tumors impact four major biological processes. Specifically, ecDNA containing tumors upregulate DNA damage and repair, cell cycle control, and mitotic processes, but downregulate global immune regulation pathways. Taken together, these results suggest profound alterations in gene regulation in ecDNA containing tumors, shedding light on molecular processes that give rise to their development and progression.

ABSTRACT Small cell lung cancer (SCLC) presents as a highly chemosensitive malignancy but acquires cross-resistance after relapse. This transformation is nearly inevitable in patients but has been difficult to capture in laboratory models. Here we present a pre-clinical system that recapitulates acquired cross-resistance in SCLC, developed from 51 patient-derived xenografts (PDXs). Each model was tested for in vivo sensitivity to three clinical regimens: cisplatin plus etoposide, olaparib plus temozolomide, and topotecan. These functional profiles captured hallmark clinical features, such as the emergence of treatment-refractory disease after early relapse. Serially derived PDX models from the same patient revealed that cross-resistance was acquired through a MYC amplification on extrachromosomal DNA (ecDNA). Genomic and transcriptional profiles of the full PDX panel revealed that this was not unique to one patient, as MYC paralog amplifications on ecDNAs were recurrent among cross-resistant models derived from patients after relapse. We conclude that ecDNAs with MYC paralogs are recurrent drivers of cross-resistance in SCLC. SIGNIFICANCE SCLC is initially chemosensitive, but acquired cross-resistance renders this disease refractory to further treatment and ultimately fatal. The genomic drivers of this transformation are unknown. We use a population of PDX models to discover that amplifications of MYC paralogs on ecDNA are recurrent drivers of acquired cross-resistance in SCLC.

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.

Abstract The highly lethal brain cancer glioblastoma (GBM) poses a daunting challenge because the blood-brain barrier renders potentially druggable amplified or mutated oncoproteins relatively inaccessible. Here, we identify SMPD1, an enzyme that regulates the conversion of sphingomyelin to ceramide and a critical regulator of plasma membrane structure and organization, as an actionable drug target in glioblastoma. We show that the safe and highly brain-penetrant antidepressant fluoxetine, potently inhibits SMPD1 activity, killing GBMs, in vitro and in patient-derived xenografts, through inhibition of EGFR signaling and via activation of lysosomal stress. Combining fluoxetine with the chemotherapeutic agent temozolomide, a standard of care for GBM patients, causes massive increases in GBM cell death, and complete and long-lived tumor regression in mice. Incorporation of real-world evidence from electronic medical records from insurance databases, reveals significantly increased survival in glioblastoma patients treated with fluoxetine, which was not seen in patients treated with other SSRI anti-depressants. These results nominate the repurposing of fluoxetine as a potentially safe and promising therapy for GBM patients and suggest prospective randomized clinical trials.

The foundational principles of Darwinian evolution are variation, selection, and identity by descent. Oncogene amplification on extrachromosomal DNA (ecDNA) is a common event, driving aggressive tumour growth, drug resistance, and shorter survival in patients. Currently, the impact of non-chromosomal oncogene inheritance - random identity by descent - is not well understood. Neither is the impact of ecDNA on variation and selection. Here, integrating mathematical modeling, unbiased image analysis, CRISPR-based ecDNA tagging, and live-cell imaging, we identify a set of basic rules for how random ecDNA inheritance drives oncogene copy number and distribution, resulting in extensive intratumoural ecDNA copy number heterogeneity and rapid adaptation to metabolic stress and targeted cancer treatment. Observed ecDNAs obligatorily benefit host cell survival or growth and can change within a single cell cycle. In studies ranging from well-curated, patient-derived cancer cell cultures to clinical tumour samples from patients with glioblastoma and neuroblastoma treated with oncogene-targeted drugs, we show how these ecDNA inheritance rules can predict, a priori, some of the aggressive features of ecDNA-containing cancers. These properties are entailed by their ability to rapidly change their genomes in a way that is not possible for cancers driven by chromosomal oncogene amplification. These results shed new light on how the non-chromosomal random inheritance pattern of ecDNA underlies poor outcomes for cancer patients.