Human cells have twenty-three pairs of chromosomes. In cancer, however, genes can be amplified in chromosomes or in circular extrachromosomal DNA (ecDNA), although the frequency and functional importance of ecDNA are not understood. We performed whole-genome sequencing, structural modelling and cytogenetic analyses of 17 different cancer types, including analysis of the structure and function of chromosomes during metaphase of 2,572 dividing cells, and developed a software package called ECdetect to conduct unbiased, integrated ecDNA detection and analysis. Here we show that ecDNA was found in nearly half of human cancers; its frequency varied by tumour type, but it was almost never found in normal cells. Driver oncogenes were amplified most commonly in ecDNA, thereby increasing transcript level. Mathematical modelling predicted that ecDNA amplification would increase oncogene copy number and intratumoural heterogeneity more effectively than chromosomal amplification. We validated these predictions by quantitative analyses of cancer samples. The results presented here suggest that ecDNA contributes to accelerated evolution in cancer.

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 Background Repeat expansion (RE) disorders affect ~1 in 3000 individuals and are clinically heterogeneous diseases caused by expansions of short tandem DNA repeats. Genetic testing is often locus-specific, resulting in under diagnosis of atypical clinical presentations, especially in paediatric patients without a prior positive family history. Whole genome sequencing (WGS) is emerging as a first-line test for rare genetic disorders, but until recently REs were thought to be undetectable by this approach. Methods WGS pipelines for RE disorder detection were deployed by the 100,000 Genomes Project and Illumina Clinical Services Laboratory. Performance was retrospectively assessed across the 13 most common neurological RE loci using 793 samples with prior orthogonal testing (182 with expanded alleles and 611 with alleles within normal size) and prospectively interrogated in 13,331 patients with suspected genetic neurological disorders. Findings WGS RE detection showed minimum 97·3% sensitivity and 99·6% specificity across all 13 disease-associated loci. Applying the pipeline to patients from the 100,000 Genomes Project identified pathogenic repeat expansions which were confirmed in 69 patients, including seven paediatric patients with no reported family history of RE disorders, with a 0.09% false positive rate. Interpretation We show here for the first time that WGS enables the detection of causative repeat expansions with high sensitivity and specificity, and that it can be used to resolve previously undiagnosed neurological disorders. This includes children with no prior suspicion of a RE disorder. These findings are leading to diagnostic implementation of this analytical pipeline in the NHS Genomic Medicine Centres in England. Funding Medical Research Council, Department of Health and Social Care, National Health Service England, National Institute for Health Research, Illumina Inc

Abstract Background Expansions of short tandem repeats are the cause of many neurogenetic disorders including familial amyotrophic lateral sclerosis, Huntington disease, and many others. Multiple methods have been recently developed that can identify repeat expansions in whole genome or exome sequencing data. Despite the widely-recognized need for visual assessment of variant calls in clinical settings, current computational tools lack the ability to produce such visualizations for repeat expansions. Expanded repeats are difficult to visualize because they correspond to large insertions relative to the reference genome and involve many misaligning and ambiguously aligning reads. Results We implemented REViewer, a computational method for visualization of sequencing data in genomic regions containing long repeat expansions. To generate a read pileup, REViewer reconstructs local haplotype sequences and distributes reads to these haplotypes in a way that is most consistent with the fragment lengths and evenness of read coverage. To create appropriate training materials for onboarding new users, we performed a concordance study involving 12 scientists involved in STR research. We used the results of this study to create a user guide that describes the basic principles of using REViewer as well as a guide to the typical features of read pileups that correspond to low confidence repeat genotype calls. Additionally, we demonstrated that REViewer can be used to annotate clinically-relevant repeat interruptions by comparing visual assessment results of 44 FMR1 repeat alleles with the results of triplet repeat primed PCR. For 38 of these alleles, the results of visual assessment were consistent with triplet repeat primed PCR. Conclusions Read pileup plots generated by REViewer offer an intuitive way to visualize sequencing data in regions containing long repeat expansions. Laboratories can use REViewer to assess the quality of repeat genotype calls as well as to visually detect interruptions or other imperfections in the repeat sequence and the surrounding flanking regions.

We previously described a process referred to as transmitophagy where mitochondria shed by retinal ganglion cell (RGC) axons are transferred to and degraded by surrounding astrocytes in the optic nerve head of mice. Since the mitophagy receptor Optineurin (OPTN) is one of few large-effect glaucoma genes and axonal damage occurs at the optic nerve head in glaucoma, here we explored whether OPTN mutations perturb transmitophagy. Live-imaging of Xenopus laevis optic nerves revealed that diverse human mutant but not wildtype OPTN increase stationary mitochondria and mitophagy machinery and their colocalization within, and in the case of the glaucoma-associated OPTN mutations also outside of, RGC axons. These extra-axonal mitochondria are degraded by astrocytes. Our studies support the view that in RGC axons under baseline conditions there are low levels of mitophagy, but that glaucoma-associated perturbations in OPTN result in increased axonal mitophagy involving the shedding and astrocytic degradation of the mitochondria.

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.

Extrachromosomal DNA (ecDNA) amplification promotes high oncogene copy number, intratumoral genetic heterogeneity, and accelerated tumor evolution, but its frequency and clinical impact are not well understood. Here we show, using computational analysis of whole-genome sequencing data from 1,979 cancer patients, that ecDNA amplification occurs in at least 26% of human cancers, of a wide variety of histological types, but not in whole blood or normal tissue. We demonstrate a highly significant enrichment for oncogenes on amplified ecDNA and that the most common recurrent oncogene amplifications arise on ecDNA. EcDNA amplifications resulted in higher levels of oncogene transcription compared to copy number matched linear DNA, coupled with enhanced chromatin accessibility. Patients whose tumors have ecDNA-based oncogene amplification showed increase of cell proliferation signature activity, greater likelihood of lymph node spread at initial diagnosis, and significantly shorter survival, even when controlled for tissue type, than do patients whose cancers are not driven by ecDNA-based oncogene amplification. The results presented here demonstrate that ecDNA-based oncogene amplification plays a central role in driving the poor outcome for patients with some of the most aggressive forms of cancers.

We describe a novel computational method for genotyping repeats using sequence graphs. This method addresses the long-standing need to accurately genotype medically important loci containing repeats adjacent to other variants or imperfect DNA repeats such as polyalanine repeats. Here we introduce a new version of our repeat genotyping software, ExpansionHunter, that uses this method to perform targeted genotyping of a broad class of such loci.Availability and implementation ExpansionHunter is implemented in C++ and is available under the Apache License Version 2.0. The source code, documentation, and Linux/macOS binaries are available at .Contact meberle{at}illumina.com