Abstract The use of acute carbon monoxide inhalation (COi) and hot water immersion (HWI) are of growing interest as interventions to stimulate erythropoietin (EPO) production. However, whether EPO production is further augmented when combining these stressors and whether there are sex differences in this response are poorly understood. Therefore, we measured circulating EPO concentration in response to acute COi and HWI independently and in combination and determined whether the responses were altered by sex. Participants completed three study visits—COi, HWI, and combined COi and HWI—separated by 1 week in a randomized, balanced, crossover design. Renal blood velocity was measured during all interventions, and carboxyhaemoglobin was measured during and after COi. Serum samples were analysed every hour for 6 h post‐intervention for EPO concentration. HWI decreased renal blood velocity (46.2 cm/s to 36.2 cm/s) ( P < 0.0001), and COi increased carboxyhaemoglobin (1.5%–12.8%) ( P < 0.0001) without changing renal blood velocity (46.4–45.2 cm/s) ( P = 0.4456). All three interventions increased peak EPO concentration from baseline (COi: 6.02–9.74 mIU/mL; HWI: 6.80–11.10 mIU/mL; COi + HWI: 6.71–10.91 mIU/mL) ( P = 0.0048) and to the same extent ( P = 0.3505). On average, females increased EPO while males did not in response to COi (females: 6.17 mIU/mL; males: 1.27 mIU/mL) ( P = 0.0010), HWI (females: 6.47 mIU/mL; males: 2.14 mIU/mL) ( P = 0.0104), and COi and HWI (females: 6.65 mIU/mL; males: 1.76 mIU/mL) ( P = 0.0256). These data emphasize that combining these interventions does not augment EPO secretion and that these interventions may work better in females.

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.

Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a hallmark of aggressive cancer, contributing to both oncogene amplification and tumor heterogeneity. Here, we used Hi-C, super-resolution imaging, and long-read sequencing to explore the nuclear architecture of MYC-amplified ecDNA in colorectal cancer cells. Intriguingly, we observed frequent spatial proximity between ecDNA and 68 repetitive elements which we called ecDNA-interacting elements or EIEs. To characterize a potential regulatory role of EIEs, we focused on a fragment of the L1M4a1#LINE/L1 which we found to be co-amplified with MYC on ecDNA, gaining enhancer-associated chromatin marks in contrast to its normally silenced state. This EIE, in particular, existed as a naturally occurring structural variant upstream of MYC, gaining oncogenic potential in the transcriptionally permissive ecDNA environment. This EIE sequence is sufficient to enhance MYC expression and is required for cancer cell fitness. These findings suggest that silent repetitive genomic elements can be reactivated on ecDNA, leading to functional cooption and amplification. Repeat element activation on ecDNA represents a mechanism of accelerated evolution and tumor heterogeneity and may have diagnostic and therapeutic potential.

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a major contributor to treatment resistance and poor outcome for patients with cancer 1,2 . Here we examine the diversity of ecDNA elements across cancer, revealing the associated tissue, genetic and mutational contexts. By analysing data from 14,778 patients with 39 tumour types from the 100,000 Genomes Project, we demonstrate that 17.1% of tumour samples contain ecDNA. We reveal a pattern highly indicative of tissue-context-based selection for ecDNAs, linking their genomic content to their tissue of origin. We show that not only is ecDNA a mechanism for amplification of driver oncogenes, but it also a mechanism that frequently amplifies immunomodulatory and inflammatory genes, such as those that modulate lymphocyte-mediated immunity and immune effector processes. Moreover, ecDNAs carrying immunomodulatory genes are associated with reduced tumour T cell infiltration. We identify ecDNAs bearing only enhancers, promoters and lncRNA elements, suggesting the combinatorial power of interactions between ecDNAs in trans . We also identify intrinsic and environmental mutational processes linked to ecDNA, including those linked to its formation, such as tobacco exposure, and progression, such as homologous recombination repair deficiency. Clinically, ecDNA detection was associated with tumour stage, more prevalent after targeted therapy and cytotoxic treatments, and associated with metastases and shorter overall survival. These results shed light on why ecDNA is a substantial clinical problem that can cooperatively drive tumour growth signals, alter transcriptional landscapes and suppress the immune system.

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) presents a major challenge for cancer patients. ecDNA renders tumours treatment resistant by facilitating massive oncogene transcription and rapid genome evolution, contributing to poor patient survival 1–7 . At present, there are no ecDNA-specific treatments. Here we show that enhancing transcription–replication conflict enables targeted elimination of ecDNA-containing cancers. Stepwise analyses of ecDNA transcription reveal pervasive RNA transcription and associated single-stranded DNA, leading to excessive transcription–replication conflicts and replication stress compared with chromosomal loci. Nucleotide incorporation on ecDNA is markedly slower, and replication stress is significantly higher in ecDNA-containing tumours regardless of cancer type or oncogene cargo. pRPA2-S33, 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 causes extensive and preferential tumour cell death in ecDNA-containing tumours. We advance a highly selective, potent and bioavailable oral CHK1 inhibitor, BBI-2779, that preferentially kills ecDNA-containing tumour cells. In a gastric cancer model containing FGFR2 amplified 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. Transcription–replication conflict emerges as a target for ecDNA-directed therapy, exploiting a synthetic lethality of excess to treat cancer.