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.

SUMMARY Extrachromosomal circular DNA (ecDNA) is an important driver of aggressive tumor growth, promoting high oncogene copy number, intratumoral heterogeneity, accelerated evolution of drug resistance, enhancer rewiring, and poor outcome. ecDNA has been reported in medulloblastoma (MB), the most common malignant pediatric brain tumor, but the ecDNA landscape and its association with specific MB subgroups, its impact on enhancer rewiring, and its potential clinical implications, are not known. We assembled a retrospective cohort of 468 MB patient samples with available whole genome sequencing (WGS) data covering the four major MB subgroups WNT, SHH, Group 3 and Group 4. Using computational methods for the detection and reconstruction of ecDNA 1 , we find ecDNA in 82 patients (18%) and observe that ecDNA+ MB patients are more than twice as likely to relapse and three times as likely to die of disease. In addition, we find that individual medulloblastoma tumors often harbor multiple ecDNAs, each containing different amplified oncogenes along with co-amplified non-coding regulatory enhancers. ecDNA was substantially more prevalent among 31 analyzed patient-derived xenograft (PDX) models and cell lines than in our patient cohort. By mapping the accessible chromatin and 3D conformation landscapes of MB tumors that harbor ecDNA, we observe frequent candidate “enhancer rewiring” events that spatially link oncogenes with co-amplified enhancers. Our study reveals the frequency and diversity of ecDNA in a subset of highly aggressive tumors and suggests enhancer rewiring as a frequent oncogenic mechanism of ecDNAs in MB. Further, these results demonstrate that ecDNA is a frequent and potent driver of poor outcome in MB patients.

Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a central mechanism for focal oncogene amplification in cancer, occurring in approximately 15% of early-stage cancers and 30% of late-stage cancers. EcDNAs drive tumor formation, evolution, and drug resistance by dynamically modulating oncogene copy-number and rewiring gene-regulatory networks. Elucidating the genomic architecture of ecDNA amplifications is critical for understanding tumor pathology and developing more effective therapies. Paired-end short-read (Illumina) sequencing and mapping have been utilized to represent ecDNA amplifications using a breakpoint graph, where the inferred architecture of ecDNA is encoded as a cycle in the graph. Traversals of breakpoint graph have been used to successfully predict ecDNA presence in cancer samples. However, short-read technologies are intrinsically limited in the identification of breakpoints, phasing together of complex rearrangements and internal duplications, and deconvolution of cell-to-cell heterogeneity of ecDNA structures. Long-read technologies, such as from Oxford Nanopore Technologies, have the potential to improve inference as the longer reads are better at mapping structural variants and are more likely to span rearranged or duplicated regions. Here, we propose CoRAL (Complete Reconstruction of Amplifications with Long reads), for reconstructing ecDNA architectures using long-read data. CoRAL reconstructs likely cyclic architectures using quadratic programming that simultaneously optimizes parsimony of reconstruction, explained copy number, and consistency of long-read mapping. CoRAL substantially improves reconstructions in extensive simulations and 10 datasets from previously-characterized cell lines as compared to previous short and long-read based tools. As long-read usage becomes wide-spread, we anticipate that CoRAL will be a valuable tool for profiling the landscape and evolution of focal amplifications in tumors.

Oncogene amplification on extrachromosomal DNA (ecDNA) is a pervasive driver event in cancer, yet our understanding of how ecDNA forms is limited. Here, we couple a CRISPR-based method for induction of ecDNA with extensive characterization of newly formed ecDNA to examine ecDNA biogenesis. We find that DNA circularization is efficient, irrespective of 3D genome context, with formation of a 1 Mb and 1.8 Mb ecDNA both reaching 15%. We show non-homologous end joining and microhomology mediated end joining both contribute to ecDNA formation, while inhibition of DNA-PKcs and ATM have opposing impacts on ecDNA formation. EcDNA and the corresponding chromosomal excision scar form at significantly different rates and respond differently to DNA-PKcs and ATM inhibition. Taken together, our results support a model of ecDNA formation in which double strand break ends dissociate from their legitimate ligation partners prior to joining of illegitimate ends to form the ecDNA and excision scar.

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a central mechanism for focal oncogene amplification in cancer, occurring in approximately 15% of early stage cancers and 30% of late-stage cancers. EcDNAs drive tumor formation, evolution, and drug resistance by dynamically modulating oncogene copy-number and rewiring gene-regulatory networks. Elucidating the genomic architecture of ecDNA amplifications is critical for understanding tumor pathology and developing more effective therapies. Paired-end short-read (Illumina) sequencing and mapping have been utilized to represent ecDNA amplifications using a breakpoint graph, where the inferred architecture of ecDNA is encoded as a cycle in the graph. Traversals of breakpoint graph have been used to successfully predict ecDNA presence in cancer samples. However, short-read technologies are intrinsically limited in the identification of breakpoints, phasing together of complex rearrangements and internal duplications, and deconvolution of cell-to-cell heterogeneity of ecDNA structures. Long-read technologies, such as from Oxford Nanopore Technologies, have the potential to improve inference as the longer reads are better at mapping structural variants and are more likely to span rearranged or duplicated regions. Here, we propose CoRAL ( Co mplete R econstruction of A mplifications with L ong reads), for reconstructing ecDNA architectures using long-read data. CoRAL reconstructs likely cyclic architectures using quadratic programming that simultaneously optimizes parsimony of reconstruction, explained copy number, and consistency of long-read mapping. CoRAL substantially improves reconstructions in extensive simulations and 9 datasets from previously-characterized cell-lines as compared to previous short-read-based tools. As long-read usage becomes wide-spread, we anticipate that CoRAL will be a valuable tool for profiling the landscape and evolution of focal amplifications in tumors.

Synaptic plasticity is obstructed by pathogenic tau in the brain, representing a key mechanism that underlies memory loss in Alzheimer's disease (AD) and related tauopathies. Here, we define a mechanism for plasticity repair in vulnerable neurons using the C-terminus of the KIdney/BRAin (KIBRA) protein (CT-KIBRA). We show that CT-KIBRA restores plasticity and memory in transgenic mice expressing pathogenic human tau; however, CT-KIBRA did not alter tau levels or prevent tau-induced synapse loss. Instead, we find that CT-KIBRA binds to and stabilizes protein kinase Mζ (PKMζ) to maintain synaptic plasticity and memory despite tau-mediated pathogenesis. In humans we find that reduced KIBRA in brain and increased KIBRA in cerebrospinal fluid are associated with cognitive impairment and pathological tau levels in disease. Thus, our results distinguish KIBRA both as a novel biomarker of synapse dysfunction in AD and as the foundation for a synapse repair mechanism to reverse cognitive impairment in tauopathy.

The chromosomal theory of inheritance has dominated human genetics, including cancer genetics. Genes on the same chromosome segregate together while genes on different chromosomes assort independently, providing a fundamental tenet of Mendelian inheritance. Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a frequent event in cancer that drives oncogene amplification, dysregulated gene expression and intratumoral heterogeneity, including through random segregation during cell division. Distinct ecDNA sequences, herein termed ecDNA species, can co-exist to facilitate intermolecular cooperation in cancer cells. However, how multiple ecDNA species within a tumor cell are assorted and maintained across somatic cell generations to drive cancer cell evolution is not known. Here we show that cooperative ecDNA species can be coordinately inherited through mitotic co-segregation. Imaging and single-cell analyses show that multiple ecDNAs encoding distinct oncogenes co-occur and are correlated in copy number in human cancer cells. EcDNA species are coordinately segregated asymmetrically during mitosis, resulting in daughter cells with simultaneous copy number gains in multiple ecDNA species prior to any selection. Computational modeling reveals the quantitative principles of ecDNA co-segregation and co-selection, predicting their observed distributions in cancer cells. Finally, we show that coordinated inheritance of ecDNAs enables co-amplification of specialized ecDNAs containing only enhancer elements and guides therapeutic strategies to jointly deplete cooperating ecDNA oncogenes. Coordinated inheritance of ecDNAs confers stability to oncogene cooperation and novel gene regulatory circuits, allowing winning combinations of epigenetic states to be transmitted across cell generations.

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) presents a major challenge for precision medicine, contributing to poor survival for patients with oncogene-amplified tumours. EcDNA renders tumours resistant to targeted treatments by facilitating massive transcription of oncogenes and rapid genome evolution. At present, there are no ecDNA- specific treatments. Here we show that enhancing transcription replication conflict enables targeted elimination of ecDNA-containing cancers, exposing an actionable vulnerability. Stepwise analyses of ecDNA transcription reveal landscapes of pervasive RNA transcription and associated single-stranded DNA, leading to excessive transcription replication conflicts and replication stress (RS) compared to chromosomal loci. Nucleotide incorporation onto growing DNA strands is markedly slower on ecDNA, and RS is significantly higher in ecDNA-containing tumours regardless of cancer type or oncogene cargo. Replication Protein A2 phosphorylated on serine 33, a mediator of DNA damage repair that binds single-stranded DNA, shows elevated localization on ecDNA in a transcription dependent manner, along with increased DNA double strand breaks, and activation of the S-phase checkpoint kinase, CHK1. Genetic or pharmacological CHK1 inhibition abrogates the DNA replication check point, causing extensive and preferential tumour cell death in ecDNA-containing tumours as they enter S-phase. To exploit this vulnerability, we develop a highly selective, potent, and bioavailable oral CHK1 inhibitor, BBI-2779, and demonstrate that it preferentially kills ecDNA-containing tumour cells. In a gastric cancer model containing FGFR2 on ecDNA, BBI-2779, suppresses tumour growth and prevents ecDNA-mediated acquired resistance to the pan-FGFR inhibitor infigratinib, resulting in potent and sustained tumour regression in mice. These results reveal transcription-replication conflict as an ecDNA-generated vulnerability that can be targeted as an ecDNA-directed therapy and suggest that synthetic lethality of excess can be exploited as a strategy for treating cancer.

Oncogene amplification is a major driver of cancer pathogenesis. Breakage fusion bridge (BFB) cycles, like extrachromosomal DNA (ecDNA), can lead to high copy numbers of oncogenes, but their impact on intratumoral heterogeneity, treatment response, and patient survival are not well understood due to difficulty in detecting them by DNA sequencing. We describe a novel algorithm that detects and reconstructs BFB amplifications using optical genome maps (OGMs), called OM2BFB. OM2BFB showed high precision (>93%) and recall (92%) in detecting BFB amplifications in cancer cell lines, PDX models and primary tumors. OM-based comparisons demonstrated that short-read BFB detection using our AmpliconSuite (AS) toolkit also achieved high precision, albeit with reduced sensitivity. We detected 371 BFB events using whole genome sequences from 2,557 primary tumors and cancer lines. BFB amplifications were preferentially found in cervical, head and neck, lung, and esophageal cancers, but rarely in brain cancers. BFB amplified genes show lower variance of gene expression, with fewer options for regulatory rewiring relative to ecDNA amplified genes. BFB positive (BFB (+)) tumors showed reduced heterogeneity of amplicon structures, and delayed onset of resistance, relative to ecDNA(+) tumors. EcDNA and BFB amplifications represent contrasting mechanisms to increase the copy numbers of oncogene with markedly different characteristics that suggest different routes for intervention.