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.

Abstract Background Current treatment protocols have only limited success in pediatric patients with neuroblastomas harboring amplifications of the central oncogene, MYCN . Adoptive T cell therapy presents an innovative strategy to improve cure rates. However, L1CAM-targeting CAR T cells achieved only limited response against refractory/relapsed neuroblastoma in an ongoing phase I trial to date. Here, we investigate how oncogenic MYCN levels influence tumor cell response to CAR T cells, as one possible factor limiting success in trials. Methods High MYCN levels were induced in SK-N-AS cells harboring the normal diploid MYCN complement using a tetracycline-inducible system. The inducible MYCN cell model or MYCN -amplified neuroblastoma cell lines were cocultured with L1CAM-CAR T cells. CAR T cell effector function was assessed via activation marker expression (flow cytometry), cytokine release and tumor cytotoxicity (biophotonic signal assessment). The cell model was characterized using RNA sequencing, and our data compared to publicly available RNA and proteomic data sets from neuroblastomas. ChIP-sequencing data was used to determine transcriptional L1CAM regulation by MYCN using public data sets. Synergism between CAR T cells and the MLN8237 AURKA inhibitor, which indirectly inhibits MYCN activity, was assessed in vitro using the Bliss model and in vivo in an immunocompromised mouse model. Results Inducing high MYCN levels in the neuroblastoma cell model reduced L1CAM expression and, consequently, L1CAM-CAR T cell effector function (activation, cytokine release and cytotoxicity) in vitro . Primary neuroblastomas possessing high MYCN levels expressed lower levels of both the L1CAM transcript and L1CAM tumor antigen. Indirectly inhibiting MYCN via AURKA using MLN8237 treatment restored L1CAM expression on tumor cells in vitro and restored L1CAM-CAR T cell effector function. Combining MLN8237 and L1CAM-CAR T cell treatment synergistically increased neuroblastoma-directed killing in MYCN-overexpressing cells in vitro and in vivo concomitant with severe in vivo toxicity. Conclusion We shed new light on a primary resistance mechanism in MYCN-driven neuroblastoma against L1CAM-CAR T cells via target antigen downregulation. These data suggest that combining L1CAM-CAR T cell therapy with pharmacological MYCN inhibition may benefit patients with high-risk neuroblastomas harboring MYCN amplifications.

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.

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.