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.

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.

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.

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 LASSO 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 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.

MYCN amplification drives one in six cases of neuroblastoma. The supernumerary gene copies are commonly found on highly rearranged, extrachromosomal circular DNA. The exact amplicon structure has not been described thus far and the functional relevance of its rearrangements is unknown. Here, we analyzed the MYCN amplicon structure and its chromatin landscape. This revealed two distinct classes of amplicons which explain the regulatory requirements for MYCN overexpression. The first class always co-amplified a proximal enhancer driven by the noradrenergic core regulatory circuit (CRC). The second class of MYCN amplicons was characterized by high structural complexity, lacked key local enhancers, and instead contained distal chromosomal fragments, which harbored CRC-driven enhancers. Thus, ectopic enhancer hijacking can compensate for the loss of local gene regulatory elements and explains a large component of the structural diversity observed in MYCN amplification.

Fusion genes are hallmarks of various cancer types and important determinants for diagnosis, prognosis and treatment possibilities. The promiscuity of fusion genes with respect to partner choice and exact breakpoint-positions restricts their detection in the diagnostic setting, even for known and recurrent fusion gene configurations. To accurately identify these gene fusions in an unbiased manner, we developed FUDGE: a FUsion gene Detection assay from Gene Enrichment. FUDGE couples target-selected and strand-specific CRISPR/Cas9 activity for enrichment and detection of fusion gene drivers (e.g. BRAF, EWSR1, KMT2A / MLL ) - without prior knowledge of fusion partner or breakpoint-location - to long-read Nanopore sequencing. FUDGE encompasses a dedicated bioinformatics approach (NanoFG) to detect fusion genes from Nanopore sequencing data. Our strategy is flexible with respect to target choice and enables multiplexed enrichment for simultaneous analysis of several genes in multiple samples in a single sequencing run. We observe on average a 508 fold on-target enrichment and identify fusion breakpoints at nucleotide resolution - all within two days. We demonstrate that FUDGE effectively identifies fusion genes in cancer cell lines, tumor samples and on whole genome amplified DNA irrespective of partner gene or breakpoint-position in 100% of cases. Furthermore, we show that FUDGE is superior to routine diagnostic methods for fusion gene detection. In summary, we have developed a rapid and versatile fusion gene detection assay, providing an unparalleled opportunity for pan-cancer detection of fusion genes in routine diagnostics.