Summary Recurrent patterns of chromosomal changes (aneuploidy) are widespread in cancer. These patterns are mainly attributed to selection processes due to an assumption that human chromosomes carry equal chance of being mis-segregated into daughter cells when fidelity of cell division is compromised. Human chromosomes vary widely in size, gene density and other parameters that might generate bias in mis-segregation rates, however technological limitations have precluded a systematic and high throughput analysis of chromosome-specific aneuploidy. Here, using fluorescence In-Situ hybridization (FISH) imaging of specific centromeres coupled with high-throughput single cell analysis, as well as single-cell sequencing we show that human chromosome mis-segregation is non-random. Merotelic kinetochore attachment induced by nocodazole washout leads to elevated aneuploidy of a subset of chromosomes, and high rates of anaphase lagging of chromosomes 1 and 2. Mechanistically, we show that these chromosomes are prone to cohesion fatigue that results in anaphase lagging upon release from nocodazole or Eg5 inhibition. Our findings suggest that inherent properties of specific chromosomes can influence chromosome mis-segregation and aneuploidy, with implications for studies on aneuploidy in human disease.

Chromosomal instability (CIN) generates micronuclei-aberrant extranuclear structures that catalyze the acquisition of complex chromosomal rearrangements present in cancer. Micronuclei are characterized by persistent DNA damage and catastrophic nuclear envelope collapse, which exposes DNA to the cytoplasm. We found that the autophagic receptor p62/SQSTM1 modulates micronuclear stability, influencing chromosome fragmentation and rearrangements. Mechanistically, proximity of micronuclei to mitochondria led to oxidation-driven homo-oligomerization of p62, limiting endosomal sorting complex required for transport (ESCRT)-dependent micronuclear envelope repair by triggering autophagic degradation. We also found that p62 levels correlate with increased chromothripsis across human cancer cell lines and with increased CIN in colorectal tumors. Thus, p62 acts as a regulator of micronuclei and may serve as a prognostic marker for tumors with high CIN.

Chromosome-containing micronuclei are a hallmark of aggressive cancers. Micronuclei frequently undergo irreversible collapse, exposing their enclosed chromatin to the cytosol. Micronuclear rupture catalyzes chromosomal rearrangements, epigenetic abnormalities, and inflammation, yet mechanisms safeguarding micronuclear integrity are poorly understood. In this study, we found that mitochondria-derived reactive oxygen species (ROS) disrupt micronuclei by promoting a noncanonical function of charged multivesicular body protein 7 (CHMP7), a scaffolding protein for the membrane repair complex known as endosomal sorting complex required for transport III (ESCRT-III). ROS retained CHMP7 in micronuclei while disrupting its interaction with other ESCRT-III components. ROS-induced cysteine oxidation stimulated CHMP7 oligomerization and binding to the nuclear membrane protein LEMD2, disrupting micronuclear envelopes. Furthermore, this ROS-CHMP7 pathological axis engendered chromosome shattering known to result from micronuclear rupture. It also mediated micronuclear disintegrity under hypoxic conditions, linking tumor hypoxia with downstream processes driving cancer progression.

ABSTRACT Errors in mitosis can generate micronuclei that entrap mis-segregated chromosomes, which are susceptible to catastrophic fragmentation through a process termed chromothripsis. The reassembly of fragmented chromosomes by error-prone DNA double-strand break (DSB) repair generates a spectrum of simple and complex genomic rearrangements that are associated with human cancers and disorders. How specific DSB repair pathways recognize and process these lesions remains poorly understood. Here we used CRISPR/Cas9 to systematically inactivate distinct DSB processing or repair pathways and interrogated the rearrangement landscape of fragmented chromosomes from micronuclei. Deletion of canonical non-homologous end joining (NHEJ) components, including DNA-PKcs, LIG4, and XLF, substantially reduced the formation of complex rearrangements and shifted the rearrangement landscape toward simple alterations without the characteristic patterns of cancer-associated chromothripsis. Following reincorporation into the nucleus, fragmented chromosomes localize within micronuclei bodies (MN bodies) and undergo successful ligation by NHEJ within a single cell cycle. In the absence of NHEJ, chromosome fragments were rarely engaged by polymerase theta-mediated alternative end-joining or recombination-based mechanisms, resulting in delayed repair kinetics and persistent 53BP1-labeled MN bodies in the interphase nucleus. Prolonged DNA damage signaling from unrepaired fragments ultimately triggered cell cycle arrest. Thus, we provide evidence supporting NHEJ as the exclusive DSB repair pathway generating complex rearrangements following chromothripsis from mitotic errors.

Abstract Mitotic errors generate micronuclei entrapping mis-segregated chromosomes, which are susceptible to catastrophic fragmentation through chromothripsis. The reassembly of fragmented chromosomes by error-prone DNA double-strand break (DSB) repair generates diverse genomic rearrangements associated with human diseases. How specific repair pathways recognize and process these lesions remains poorly understood. Here we use CRISPR/Cas9 to systematically inactivate distinct DSB repair pathways and interrogate the rearrangement landscape of fragmented chromosomes. Deletion of canonical non-homologous end joining (NHEJ) components substantially reduces complex rearrangements and shifts the rearrangement landscape toward simple alterations without the characteristic patterns of chromothripsis. Following reincorporation into the nucleus, fragmented chromosomes localize within sub-nuclear micronuclei bodies (MN bodies) and undergo ligation by NHEJ within a single cell cycle. In the absence of NHEJ, chromosome fragments are rarely engaged by alternative end-joining or recombination-based mechanisms, resulting in delayed repair kinetics, persistent 53BP1-labeled MN bodies, and cell cycle arrest. Thus, we provide evidence supporting NHEJ as the exclusive DSB repair pathway generating complex rearrangements from mitotic errors.

Replication stress can drive genetic instability and is associated with chromosomal instability in cancer and during reprogramming of stem cells, however the exact mechanisms connecting replication stress to chromosome aberrations are not known. Here we use single cell DNA sequencing to precisely map DNA copy number alterations (CNAs) after one cell division cycle under replication stress in two diploid cell types to megabase pair resolution. Unexpectedly, we find that replication stress generates several distinct classes of CNAs, and that specific genomic regions convert to particular classes of CNA. By combining analyses of single cell replication timing and bulk gene expression from both cell types, we provide a comprehensive picture of the features and mechanisms converting replication stress to DNA copy number alterations. The breakpoints of large CNAs tend to be associated with late DNA replication timing, low surrounding gene expression and proximity to large or giant genes. By contrast, small amplifications show contrasting associations and may represent a new class of replication stress induced CNAs. These findings provide a platform to further dissect molecular mechanisms involved in the replication stress response and to gain insights into how replication stress can drive chromosomal instability in cancer.

Complex genome rearrangements can be generated by the catastrophic shattering of mis-segregated chromosomes trapped within micronuclei through a process known as chromothripsis. Since each chromosome harbors a single centromere, how acentric fragments derived from shattered chromosomes are inherited between daughter cells during mitosis remains unknown. Here we tracked micronucleated chromosomes by live-cell imaging and show that acentric fragments cluster in close spatial proximity throughout mitosis for biased partitioning to a single daughter cell. Mechanistically, the CIP2A-TOPB1 complex prematurely associates with DNA lesions within ruptured micronuclei during interphase, which poises chromosome fragments for clustering upon mitotic entry. Inactivation of CIP2A or TOPBP1 caused pulverized chromosomes to untether and disperse throughout the mitotic cell, consequently resulting in the mis-accumulation of DNA fragments in the cytoplasm. The inheritance of shattered chromosomes by a single daughter cell suggests that micronucleation can drive complex rearrangements that lack the DNA copy number oscillations characteristic of canonical chromothripsis. Comprehensive analysis of pan-cancer whole-genome sequencing data revealed clusters of DNA copy number-neutral rearrangements – termed balanced chromothripsis – across diverse cancer types resulting in the acquisition of known driver events. Thus, distinct patterns of chromothripsis can be explained by the spatial mitotic clustering of pulverized chromosomes from micronuclei.