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.

Summary To interrogate the factors driving therapy resistance in diffuse glioma, we collected and analyzed RNA and/or DNA sequencing data from temporally separated tumor pairs of 292 adult patients with IDH-wild-type or IDH-mutant glioma. Tumors recurred in distinct manners that were dependent on IDH mutation status and attributable to changes in histological feature composition, somatic alterations, and microenvironment interactions. Hypermutation and acquired CDKN2A deletions associated with an increase in proliferating stem-like malignant cells at recurrence in both glioma subtypes, reflecting active tumor growth. IDH-wild-type tumors were more invasive at recurrence, and their malignant cells exhibited increased expression of neuronal signaling programs that reflected a possible role for neuronal interactions in promoting glioma progression. Mesenchymal transition was associated with the presence of a specific myeloid cell state defined by unique ligand-receptor interactions with malignant cells. Collectively, our results uncover recurrence-associated changes that could be targetable to shape disease progression following initial diagnosis.

ABSTRACT Glioma intratumoral heterogeneity enables adaptation to challenging microenvironments and contributes to universal therapeutic resistance. Here, we integrated 914 single-cell DNA methylomes, 55,284 single-cell transcriptomes, and bulk multi-omic profiles across 11 adult IDH-mutant or IDH-wild-type gliomas to delineate sources of intratumoral heterogeneity. We found that local DNA methylation instability, or epimutation burden, was elevated in more aggressive tumors, reflected intratumoral variability, linked with transcriptional disruption, and associated with environmental stress response. We show that the activation of cell-state specific transcription factors is impacted by epimutations and that loosened epigenetic control may facilitate cellular plasticity. Our analyses support that somatic copy number alterations (SCNAs) promote epigenetic instability and that SCNAs largely precede epigenetic and transcriptomic diversification during glioma evolution. We confirmed the link between genetic and epigenetic instability by analyzing larger cohorts of bulk longitudinally collected and spatially separated DNA methylation data. Increased DNA methylation instability was associated with accelerated disease progression, and recurrently selected DNA methylation changes were enriched for environmental stress response pathways. Our work provides an integrative framework to better understand glioma evolution and highlights the importance of epigenetic heterogeneity in shaping therapeutic response.

ABSTRACT Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common primary malignant brain tumor in adults, with a median survival of just over one year. The failure of available treatments to achieve remission in patients with GBM has been attributed to the presence of cancer stem cells (CSCs), which are thought to play a central role in tumor development and progression and serve as a treatment-resistant cell repository capable of driving tumor recurrence; in fact, the property of “stemness” itself may be responsible for treatment resistance. In this study, we identify a novel lncRNA, Cancer stem cell associated distal enhancer of SOX2 ( CASCADES ) that functions as an epigenetic regulator in glioma CSCs (GSCs). CASCADES is expressed in IDH-wild type GBM and significantly enriched in GSCs. Knockdown of CASCADES in GSCs results in differentiation towards a neuronal lineage in a cell- and cancer-specific manner. Bioinformatics analysis reveals that CASCADES functions as a super-enhancer associated lncRNA epigenetic regulator of SOX2 . Our findings identify CASCADES as a critical regulator of stemness in GSCs and represent a novel epigenetic and therapeutic target for disrupting the cancer stem cell compartment in GBM.

Abstract Oncogenic extrachromosomal DNA elements (ecDNAs) promote intratumoral heterogeneity, creating a barrier for successful cancer treatments. The underlying mechanisms are poorly understood and studies are hampered in part by a lack of adequate tools enabling studies of ecDNA behavior. Here, we show that single-cell ecDNA copy numbers follow a Gaussian distribution across tumor cells in vitro and in patient glioblastoma specimens, suggesting uneven ecDNA segregation during mitosis. We established a CRISPR-based approach which leverages unique ecDNA breakpoint sequences to tag ecDNA with fluorescent markers in living cells. Applying this method during mitosis revealed disjointed ecDNA inheritance patterns, providing an explanation for rapid ecDNA accumulation in cancer. Post-mitosis, ecDNAs tended to cluster and clustered ecDNAs colocalized with RNA polymerase II, promoting transcription of cargo oncogenes. Our observations provide direct evidence for uneven segregation of ecDNA and shed new lights of mechanisms through which ecDNAs contribute to oncogenesis.

Abstract The biological and clinical impact of neoplastic and immune cell type ratios in the glioblastoma (GBM) tumour microenvironment is being realised. Characterising and quantifying cell types within GBMs at scale will facilitate a better understanding of the association between the cellular landscape and tumour phenotypes or clinical correlates. This study aimed to develop a tool that can deconvolute immune and neoplastic cells within the GBM tumour microenvironment from bulk RNA sequencing data. We developed an IDH wild-type (IDHwt) GBM specific single immune cell reference dataset, from four independent studies, consisting of B cells, T cells, NK cells, microglia, tumour associated macrophages, monocytes, mast and DC cells. We used this alongside an existing neoplastic single cell-type dataset consisting of astrocyte-like, oligodendrocyte- and neuronal-progenitor like and mesenchymal GBM cancer cells to create both marker and gene signature matrix-based deconvolution tools. We then applied single-cell resolution imaging mass cytometry (IMC) to ten IDHwt GBM samples, five paired primary and recurrent tumours, in parallel with these tools to determine which performed best. Marker based gene expression deconvolution using GBM tissue specific markers, which we have packaged as GBMdeconvoluteR, gave the most accurate results. The correlation between immune cell quantification by IMC and by GBMdeconvoluteR for primary IDHwt GBM samples was 0.52 (Pearson’s P=7.8×10 −3 ) and between neoplastic cell quantification by IMC and by GBMdeconvoluteR was 0.75 (Pearson’s P=1.2×10 −3 ). We applied GBMdeconvoluteR to bulk GBM RNAseq data from The Cancer Genome Atlas (TCGA) and were able to recapitulate recent findings from multi-omics single cell studies with regards associations between mesenchymal GBM cancer cells and both lymphoid and myeloid cells. Furthermore, we were able to expand upon this to show that these associations are stronger in patients with worse prognosis. GBMdeconvoluteR is accessible online at https://gbmdeconvoluter.leeds.ac.uk . Key points GBMdeconvoluteR is a glioblastoma-specific cellular deconvolution tool. When applied to bulk GBM RNAseq data, it accurately quantifies the neoplastic and immune cells in that tumour. It is available online at https://gbmdeconvoluter.leeds.ac.uk

Summary Tumor adaptation or selection is thought to underlie therapy resistance of gliomas. To investigate the longitudinal epigenetic evolution of gliomas in response to therapeutic pressure, we performed an epigenomic analysis of 143 matched initial and recurrent patients with IDH-wildtype (IDHwt) and IDH-mutant (IDHmut) gliomas. IDHwt gliomas showed a longitudinally stable epigenome with relatively low levels of global methylation, whereas the epigenome of IDHmut gliomas showed initial high levels genome-wide of DNA methylation that was progressively reduced to levels similar to those of IDHwt tumors. By integrating DNA methylation and gene expression data, adaptive changes of putative master regulators of the cell cycle and of differentiation were seen in IDHmut recurrent tumors. Furthermore, relapses of IDHmut tumors were accompanied by histological progression which in turn influenced survival, as validated in an independent cohort. Finally, the initial cell composition of the tumor microenvironment differed between IDHwt and IDHmut tumors and changed differentially following treatment, suggesting increased neo-angiogenesis and T-cell infiltration upon treatment for IDHmut gliomas. Our study provides one of the largest cohorts of paired glioma samples profiled with epigenomics, transcriptomics and genomics; and our results demonstrate that the treatment of IDHmut gliomas reshapes the epigenome towards an IDHwt-like phenotype. Accordingly, the prevalent practice of early genotoxic treatment in this patient population may need to be revisited.

Despite considerable pan-cancer efforts, the link between genomics and transcriptomics in cancer remains relatively weak and mostly based on statistical rather than mechanistic principles. By performing integrative analysis of transcriptomic and mutational profiles on a sample-by-sample basis, via regulatory/signaling networks, we identified a repertoire of 407 Master-Regulator proteins responsible for canalizing the genetics of 20 TCGA cohorts into 112 transcriptionally- distinct tumor subtypes. Further analysis highlighted a highly-recurrent regulatory architecture (oncotecture) with Master-Regulators organized into 24 modular MR-Blocks, regulating highly-specific tumor-hallmark functions and predictive of patient outcome. Critically, >50% of the somatic alterations identified in individual samples were in proteins affecting Master-Regulator activity, thus yielding novel insight into mechanisms linking tumor genetics and transcriptional identity and establishing novel non-oncogene dependencies. Experimental validation of functional mutations upstream of the most conserved MR-Block confirmed their ability to affect MR-protein activity, suggesting that the proposed methodology may effectively complement and extend current pan-cancer knowledge.

1 Abstract To study the evolutionary processes that drive malignant progression of IDH-mutant astrocytomas, we performed multi-omics on a large cohort of matched initial and recurrent tumor samples. The overlay of genetic, epigenetic, transcriptomic and proteomic data, combined with single-cell analysis, have identified overlapping features associated with malignant progression. These features are derived from three molecular mechanisms and provide a rationale of the underlying biology of tumor malignancy: cell-cycling, tumor cell (de-)differentiation and remodeling of the extracellular matrix. Specifically, DNA-methylation levels decreased over time, predominantly in tumors with malignant transformation and co-occurred with poor prognostic genetic events. DNA-methylation was lifted from specific loci associated with DNA replication and was associated with an increased RNA and protein expression of cell cycling associated genes. All results were validated on samples of newly diagnosed IDH-mutant astrocytoma patients included the CATNON randomized phase 3 clinical trial. Importantly, malignant progression was hardly affected by radio- or chemotherapy, indicating that treatment does not affect the course of disease. Our results culminate in a DNA-methylation based signature for objective tumor grading.

The tandem duplicator phenotype (TDP) is a genome-wide instability configuration primarily observed in breast, ovarian and endometrial carcinomas. Here, we stratify TDP tumors by classifying their tandem duplications (TDs) into three span intervals, with modal values of 11 Kb, 231 Kb, and 1.7 Mb. TDPs with prominent ~11 Kb TDs feature the conjoint loss of TP53 and BRCA1. TDPs with ~231 Kb and ~1.7 Mb TDs associate with CCNE1 pathway activation or CDK12 disruptions, in conjunction with TP53 mutations. We prove the driver role of TP53 and BRCA1 abrogation for TDP induction by generating short-span TDP mammary tumors in genetically modified mouse models harboring deleterious mutations in only these two genes. Lastly, heterogeneous combinations of mutations mediated by TDs are selected for and contribute to the oncogenic burden of TDP tumors.