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 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.

Abstract Neuroblastoma is characterised by extensive inter- and intra-tumour genetic heterogeneity and varying clinical outcomes. One possible driver for this heterogeneity are extrachromosomal DNAs (ecDNA), which segregate independently to the daughter cells during cell division and can lead to rapid amplification of oncogenes. While ecDNA-mediated oncogene amplification has been shown to be associated with poor prognosis in many cancer entities, the effects of ecDNA copy number heterogeneity on intermediate phenotypes are still poorly understood. Here, we leverage DNA and RNA sequencing data from the same single cells in cell lines and neuroblastoma patients to investigate these effects. We utilise ecDNA amplicon structures to determine precise ecDNA copy numbers and reveal extensive intercellular ecDNA copy number heterogeneity. We further provide direct evidence for the effects of this heterogeneity on gene expression of cargo genes, including MYCN and its downstream targets, and the overall transcriptional state of neuroblastoma cells. These results highlight the potential for rapid adaptability of cellular states within a tumour cell population mediated by ecDNA copy number, emphasising the need for ecDNA-specific treatment strategies to tackle tumour formation and adaptation.

Genomic instability arising from defective responses to DNA damage1 or mitotic chromosomal imbalances2 can lead to the sequestration of DNA in aberrant extranuclear structures called micronuclei (MN). Although MN are a hallmark of ageing and diseases associated with genomic instability, the catalogue of genetic players that regulate the generation of MN remains to be determined. Here we analyse 997 mouse mutant lines, revealing 145 genes whose loss significantly increases (n = 71) or decreases (n = 74) MN formation, including many genes whose orthologues are linked to human disease. We found that mice null for Dscc1, which showed the most significant increase in MN, also displayed a range of phenotypes characteristic of patients with cohesinopathy disorders. After validating the DSCC1-associated MN instability phenotype in human cells, we used genome-wide CRISPR-Cas9 screening to define synthetic lethal and synthetic rescue interactors. We found that the loss of SIRT1 can rescue phenotypes associated with DSCC1 loss in a manner paralleling restoration of protein acetylation of SMC3. Our study reveals factors involved in maintaining genomic stability and shows how this information can be used to identify mechanisms that are relevant to human disease biology1.

Abstract The small molecule inhibitor of ataxia telangiectasia and Rad3-related protein (ATR), elimusertib, is currently being tested clinically in various cancer entities in adults and children. Its preclinical anti-tumor activity in pediatric malignancies, however, is largely unknown. We here assessed the preclinical activity of elimusertib in >40 cell lines and >30 patient-derived xenograft (PDX) models derived from common pediatric solid tumor entities. Detailed in vitro and in vivo molecular characterization of the treated models enabled the evaluation of response biomarkers. Pronounced objective response rates were observed for elimusertib monotherapy in PDX, when treated with a regimen currently used in clinical trials. Strikingly, elimusertib outperformed standard of care chemotherapies, particularly in alveolar rhabdomysarcoma PDX. Thus, elimusertib has strong preclinical anti-tumor activity in pediatric solid tumor models, which may translate to clinically meaningful responses in patients. Statement of translational relevance Elimusertib is a small molecule inhibitor of ATR. ATR inhibitors have shown promising results as anticancer agents in adult cancers, but there is limited information on their effectiveness in pediatric solid tumors. Using a cohort of 32 patient-derived xenografts from pediatric solid tumors, we here evaluated the therapeutic potential of elimusertib in vivo . Elimusertib reduced tumor volume growth in all samples. Elimusertib had very limited toxicity and was potent even in tumors with preexisting chemoresistance. Our preclinical data indicates that elimusertib is a safe and potent therapeutic option for pediatric solid tumors. This data may serve as a rationale for the development of pediatric clinical trials for ATR inhibitors.

Abstract Pathognomonic PAX3-FOXO1 fusion oncogene expression is associated with poor outcome in rhabdomyosarcoma. Combining genome-wide CRISPR screening with cell- based functional genetic approaches, we here provide evidence that PAX3-FOXO1 induces replication stress, resulting in a synthetic lethal dependency to ATR-mediated DNA damage-response signaling in rhabdomyosarcoma. Expression of PAX3-FOXO1 in muscle progenitor cells was not only sufficient to induce hypersensitivity to ATR inhibition, but PAX3-FOXO1-expressing rhabdomyosarcoma cells also exhibited increased sensitivity to structurally diverse inhibitors of ATR, a dependency that could be validated genetically. Mechanistically, ATR inhibition led to replication stress exacerbation, decreased BRCA1 phosphorylation and reduced homologous recombination-mediated DNA repair pathway activity. Consequently, ATR inhibitor treatment increased sensitivity of rhabdomyosarcoma cells to PARP inhibition in vitro , and combined ATR and PARP inhibition induced regression of primary patient-derived alveolar rhabdomyosarcoma xenografts in vivo . Moreover, a genome-wide CRISPR activation screen (CRISPRa) identified FOS gene family members as inducers of resistance against ATR inhibitors. Mechanistically, FOS gene family members reduced replication stress in rhabdomyosarcoma cells. Lastly, compassionate use of ATR inhibitors in two pediatric patients suffering from relapsed PAX3-FOXO1-expressing alveolar rhabdomyosarcoma showed signs of tolerability, paving the way to clinically exploit this novel synthetic lethal dependency in rhabdomyosarcoma.

ABSTRACT Rhabdomyosarcoma (RMS) is an aggressive human pediatric cancer. Despite robust expression of myogenic regulatory factors, RMS cells are blocked in a proliferative state and do not terminally differentiate. The extent to which the skeletal muscle lineage is represented in RMS tumors and the mechanisms leading to developmental arrest remain elusive. Here, we combined single-cell RNA sequencing (scRNAseq), mass cytometry (CyTOF) and high-content imaging to resolve RMS heterogeneity. ScRNAseq and CyTOF analysis of a total of 17 patient-derived primary cultures and three cell lines uncovered plastic myogenic subpopulations that delineate a branched trajectory. The less aggressive embryonal RMS (eRMS) harbor primarily muscle stem cell (MuSC)-like cells and exhibit sparse commitment to differentiation. The more aggressive alveolar RMS (aRMS) comprise primarily actively cycling committed progenitors with a paucity of differentiated cells. The oncogenic fusion protein PAX3:FOXO1 sustains aRMS cells in the cycling trajectory loop, which we show can re-wired towards differentiation upon its downregulation or by dual pharmacological RAF and MEK inhibition. Our findings provide insights into the developmental states and trajectories underlying RMS progression and identify the RAS pathway as a promising target of differentiation therapy for human aRMS. STATEMENT OF SIGNIFICANCE We present the first comprehensive single-cell transcriptomic and proteomic atlas of pediatric rhabdomyosarcoma (RMS), in which we identify impaired myogenic trajectories with prognostic value. We demonstrate that RAS pathway inhibitors disrupt the oncogenic trajectory and induce terminal differentiation, revealing novel therapeutic targets for the aggressive alveolar RMS subtype.

Summary Although DNA amplifications in cancers frequently harbor passenger genes alongside oncogenes, the functional consequence of such co-amplifications and their impact for therapy remains ill-defined. We discovered that passenger co-amplifications can create amplicon structure-specific collateral vulnerabilities. We present the DEAD-box helicase 1 ( DDX1 ) gene as a bona fide passenger co-amplified with MYCN in cancers. Survival of cancer cells with DDX1 co-amplifications strongly depends on the mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1). Mechanistically, aberrant DDX1 expression inhibits the tricarboxylic acid cycle through a previously unrecognized interaction with dihydrolipoamide S-succinyltransferase, a component of the alpha-ketoglutarate dehydrogenase complex. Cells expressing aberrant DDX1 levels compensate for the metabolic shift by enhancing mTORC1 activity. Consequently, pharmacological mTORC1 inhibition triggered cell death specifically in cells harboring the DDX1 co-amplification. This work highlights a significant contribution of passenger gene alterations to the therapeutic susceptibility of cancers. Graphical abstract

Circular extrachromosomal DNA (ecDNA) is a form of oncogene amplification found across cancer types and associated with poor outcome in patients. ecDNA can be structurally complex and contain rearranged DNA sequences derived from multiple chromosome locations. As the structure of ecDNA can impact oncogene regulation and may indicate mechanisms of its formation, disentangling it at high resolution from sequencing data is essential. Even though methods have been developed to identify and reconstruct ecDNA in cancer genome sequencing, it remains challenging to resolve complex ecDNA structures, in particular amplicons with shared genomic footprints. We here introduce Decoil, a computational method which combines a breakpoint-graph approach with regression to reconstruct complex ecDNA and deconvolve co-occurring ecDNA elements with overlapping genomic footprints from long-read nanopore sequencing. Decoil outperforms de novo assembly and alignment-based methods in simulated long-read sequencing data for both simple and complex ecDNAs. Applying Decoil on whole genome sequencing data uncovered different ecDNA topologies and explored ecDNA structure heterogeneity in neuroblastoma tumors and cell lines, indicating that this method may improve ecDNA structural analyzes in cancer.