Cell cycle checkpoints enhance genetic fidelity by causing arrest at specific stages of the cell cycle when previous events have not been completed. The tumor suppressor p53 has been implicated in a G1 checkpoint. To investigate whether p53 also participates in a mitotic checkpoint, cultured fibroblasts from p53-deficient mouse embryos were exposed to spindle inhibitors. The fibroblasts underwent multiple rounds of DNA synthesis without completing chromosome segregation, thus forming tetraploid and octaploid cells. Deficiency of p53 was also associated with the development of tetraploidy in vivo. These results suggest that murine p53 is a component of a spindle checkpoint that ensures the maintenance of diploidy.

It has been hypothesized that neoplastic progression develops as a consequence of an acquired genetic instability and the subsequent evolution of clonal populations with accumulated genetic errors1. Accordingly, human cancers and some premalignant lesions contain multiple genetic abnormalities not present in the normal tissues from which the neoplasms arose2,3. Barrett oesophagus (BE) is a premalignant condition which predisposes to oesophageal adenocarcinoma (EA) that can be biopsied prospectively over time because endoscopic surveillance is recommended for early detection of cancer4,5. In addition, oesophagectomy specimens frequently contain the premalignant epithelium from which the cancer arose6. Neoplastic progression in BE is associated with alterations in TP53 (also known as p53) and CDKN2A (also known as p16) and non-random losses of heterozygosity7,8,9,10,11 (LOH). Aneuploid or increased 4N populations occur in more than 90-95% of EAs, arise in premalignant epithelium and predict progression10,12,13. We have previously shown in small numbers of patients that disruption of TP53 and CDKN2A typically occurs before aneuploidy and cancer10,11,14,15. Here, we determine the evolutionary relationships of non-random LOH, TP53 and CDKN2A mutations, CDKN2A CpG-island methylation and ploidy during neoplastic progression. Diploid cell progenitors with somatic genetic or epigenetic abnormalities in TP53 and CDKN2A were capable of clonal expansion, spreading to large regions of oesophageal mucosa. The subsequent evolution of neoplastic progeny frequently involved bifurcations and LOH at 5q, 13q and 18q that occurred in no obligate order relative to each other, DNA-content aneuploidy or cancer. Our results indicate that clonal evolution is more complex than predicted by linear models.

Cancer genomes often harbor hundreds of somatic DNA rearrangement junctions, many of which cannot be easily classified into simple (e.g. deletion, translocation) or complex (e.g. chromothripsis, chromoplexy) structural variant classes. Applying a novel genome graph computational paradigm to analyze the topology of junction copy number (JCN) across 2,833 tumor whole genome sequences (WGS), we introduce three complex rearrangement phenomena: pyrgo, rigma , and tyfonas . Pyrgo are “towers” of low-JCN duplications associated with early replicating regions and superenhancers, and are enriched in breast and ovarian cancers. Rigma comprise “chasms” of low-JCN deletions at late-replicating fragile sites in esophageal and other gastrointestinal (GI) adenocarcinomas. Tyfonas are “typhoons” of high-JCN junctions and fold back inversions that are enriched in acral but not cutaneous melanoma and associated with a previously uncharacterized mutational process of non-APOBEC kataegis. Clustering of tumors according to genome graph-derived features identifies subgroups associated with DNA repair defects and poor prognosis.

ABSTRACT BACKGROUND Oncogenes are commonly amplified on extrachromosomal DNA (ecDNA) contributing to poor outcomes for patients. Currently, the chronology of ecDNA development is not known. We studied the origination and evolution of ecDNA in patients with Barrett’s esophagus (BE) who progressed to esophageal adenocarcinoma (EAC). METHODS We analyzed whole-genome sequencing (WGS) data from a BE surveillance cohort and EAC patients at Cambridge University UK (n=206 patients). We also analyzed WGS data from biopsies taken at two time points from multiple sites in the esophagus from 80 patients enrolled in a case-control study at the Fred Hutchinson Cancer Center (FHCC) - 40 BE patients who progressed to EAC and 40 who did not. RESULTS ecDNA was detected in 24% and 43% of BE patients with BE-associated early and late-stage EAC, respectively, in the Cambridge cross-sectional cohort. ecDNA was found in 33% of all FHCC BE patients who developed cancer, either prior to, or at EAC diagnosis. ecDNA was strongly associated with patients who developed cancer, in contrast with FHCC BE patients who did not progress (odds ratio, 18.8, CI – 2.3-152, p=3.3×10-4). ecDNAs were enriched for oncogenes and immunomodulatory genes and could be detected early in the transition from high-grade dysplasia to cancer and increased in copy number and complexity over time. CONCLUSIONS ecDNAs can develop before a diagnosis of cancer in BE patients and are strongly selected for during the evolution to EAC. ecDNAs promote diverse oncogene and immunomodulatory gene amplification during EAC development and progression.