Cancer genomes are composed of many complex structural alterations on chromosomes and extrachromosomal DNA (ecDNA), making it difficult to identify non-coding enhancer regions that are hijacked to activate oncogene expression. Here, we describe a 3D genomics-based analysis called HAPI (Highly Active Promoter Interactions) to characterize enhancer hijacking. HAPI analysis of HiChIP data from 34 cancer cell lines identified enhancer hijacking events that activate both known and potentially novel oncogenes such as MYC, CCND1, ETV1, CRKL, and ID4. Furthermore, we found enhancer hijacking among multiple oncogenes from different chromosomes, often including MYC, on the same complex amplicons such as ecDNA. We characterized a MYC-ERBB2 chimeric ecDNA, in which ERBB2 heavily hijacks MYC's enhancers. Notably, CRISPRi of the MYC promoter led to increased interaction of ERBB2 with MYC enhancers and elevated ERBB2 expression. Our HAPI analysis tool provides a robust strategy to detect enhancer hijacking and reveals novel insights into oncogene activation.

ABSTRACT Cancer genomes are composed of many complex structural alterations on chromosomes and extrachromosomal DNA (ecDNA), making it difficult to identify non-coding enhancer regions that are hijacked to activate oncogene expression. Here, we describe a 3D genomics-based analysis called HAPI (Highly Active Promoter Interactions) to characterize enhancer hijacking. HAPI analysis of HiChIP data from 34 cancer cell lines identified enhancer hijacking events that activate both known and potentially novel oncogenes such as MYC, CCND1 , ETV1 , CRKL , and ID4 . Furthermore, we found enhancer hijacking among multiple oncogenes from different chromosomes, often including MYC , on the same complex amplicons such as ecDNA. We characterized a MYC - ERBB2 chimeric ecDNA, in which ERBB2 heavily hijacks MYC ’s enhancers. Notably, CRISPRi of the MYC promoter led to increased interaction of ERBB2 with MYC enhancers and elevated ERBB2 expression. Our HAPI analysis tool provides a robust strategy to detect enhancer hijacking and reveals novel insights into oncogene activation.

Cis-Regulatory Elements (CREs) control transcription levels, temporal dynamics, and cell-cell variation - often referred to as transcriptional noise. However, the combination of regulatory proteins and epigenetic features necessary to control different transcription attributes is not fully understood. Here, single-cell RNA-seq (scRNA-seq) is conducted during a time course of estrogen treatment to identify genomic predictors of expression timing and noise. We find that genes associated with multiple active enhancers exhibit faster temporal responses. Synthetic modulation of enhancer activity verifies that activating enhancers accelerates expression responses, while inhibiting enhancers results in a more gradual response. Noise is controlled by a balance of promoter and enhancer activity. Active promoters are found at genes with low noise levels, whereas active enhancers are associated with high noise. Finally, we observe that co-expression across single cells is an emergent property associated with chromatin looping, timing, and noise levels. Overall, our results indicate a fundamental tradeoff between a gene's ability to quickly respond to incoming signals and maintain low variation across cells.

Abstract The t(X,17) chromosomal translocation, generating the ASPSCR1-TFE3 fusion oncoprotein, is the singular genetic driver of alveolar soft part sarcoma (ASPS) and some Xp11-rearranged renal cell carcinomas (RCC), frustrating efforts to identify therapeutic targets for these rare cancers. Proteomic analysis showed that VCP/p97, an AAA+ ATPase with known segregase function, was strongly enriched in co-immunoprecipitated nuclear complexes with ASPSCR1-TFE3. We demonstrate that VCP is a likely obligate co-factor of ASPSCR1-TFE3, one of the only such fusion oncoprotein co-factors identified in cancer biology. Specifically, VCP co-distributed with ASPSCR1-TFE3 across chromatin in association with enhancers genome-wide. VCP presence, its hexameric assembly, and its enzymatic function orchestrated the oncogenic transcriptional signature of ASPSCR1-TFE3, by facilitating assembly of higher-order chromatin conformation structures as demonstrated by HiChIP. Finally, ASPSCR1-TFE3 and VCP demonstrated co-dependence for cancer cell proliferation and tumorigenesis in vitro and in ASPS and RCC mouse models, underscoring VCP’s potential as a novel therapeutic target.