Chromosomal instability (CIN) and epigenetic alterations are characteristics of advanced and metastatic cancers [1-4], yet whether they are mechanistically linked is unknown. Here we show that missegregation of mitotic chromosomes, their sequestration in micronuclei [5, 6], and subsequent micronuclear envelope rupture [7] profoundly disrupt normal histone post-translational modifications (PTMs), a phenomenon conserved across humans and mice as well as cancer and non-transformed cells. Some of the changes to histone PTMs occur due to micronuclear envelope rupture whereas others are inherited from mitotic abnormalities prior to micronucleus formation. Using orthogonal techniques, we show that micronuclei exhibit extensive differences in chromatin accessibility with a strong positional bias between promoters and distal or intergenic regions. Finally, we show that inducing CIN engenders widespread epigenetic dysregulation and that chromosomes which transit in micronuclei experience durable abnormalities in their accessibility long after they have been reincorporated into the primary nucleus. Thus, in addition to genomic copy number alterations, CIN can serve as a vehicle for epigenetic reprogramming and heterogeneity in cancer.

ABSTRACT Focal amplifications in the cancer genome, particularly extrachromosomal DNA (ecDNA) amplifications, are emerging as a pivotal event in cancer progression across diverse cancer contexts, presenting a paradigm shift in our understanding of tumor dynamics. Simultaneously, identification of the various modes of focal amplifications is bioinformatically challenging. We present AmpliconSuite, a collection of tools that enables robust identification of focal amplifications from whole-genome sequencing data. AmpliconSuite includes AmpliconSuite- pipeline; utilizing the AmpliconArchitect (AA) method, and AmpliconRepository.org; a community- editable website for the sharing of focal amplification calls. We also describe improvements made to AA since its initial release that improve its accuracy and speed. As a proof of principle, we utilized publicly available pan-cancer datasets encompassing 2,525 tumor samples hosted on AmpliconRepository.org to illustrate important properties of focal amplifications, showing ecDNA has higher copy number, and stronger oncogene enrichment, compared to other classes of focal amplifications. Finally, we illustrate how AmpliconSuite-pipeline enables delineation of the various mechanisms by which ecDNA forms.

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.