Circular extrachromosomal DNA is found in nearly half of human cancers of a wide variety of histologic types, increasing the copy number of driver oncogenes and intratumoral heterogeneity more effectively than chromosomal amplification and contributing to tumor evolution. Extrachromosomal DNA has been shown to play a role in oncogenesis, but its frequency and importance have not been clear. Here, the authors perform whole-genome sequencing, structural modelling and cytogenetic analysis of 17 different types of cancer to explore how extrachromosomal elements contribute to the heterogeneity and plasticity of tumours. They find extrachromosomal DNA in nearly half of the cancers, but in almost no healthy cells, with driver oncogenes being the most commonly amplified, resulting in increased transcript levels. Mathematical modelling predicts that amplification of extrachromosomal DNA could increase oncogene copy number more than chromosomal amplification. The results suggest that extrachromosomal DNA has a broad role in the adaptation and evolution of cancer cells. Human cells have twenty-three pairs of chromosomes. In cancer, however, genes can be amplified in chromosomes or in circular extrachromosomal DNA (ecDNA), although the frequency and functional importance of ecDNA are not understood1,2,3,4. We performed whole-genome sequencing, structural modelling and cytogenetic analyses of 17 different cancer types, including analysis of the structure and function of chromosomes during metaphase of 2,572 dividing cells, and developed a software package called ECdetect to conduct unbiased, integrated ecDNA detection and analysis. Here we show that ecDNA was found in nearly half of human cancers; its frequency varied by tumour type, but it was almost never found in normal cells. Driver oncogenes were amplified most commonly in ecDNA, thereby increasing transcript level. Mathematical modelling predicted that ecDNA amplification would increase oncogene copy number and intratumoural heterogeneity more effectively than chromosomal amplification. We validated these predictions by quantitative analyses of cancer samples. The results presented here suggest that ecDNA contributes to accelerated evolution in cancer.

It is now clear that medulloblastoma (MB), one of the most clinically challenging paediatric brain tumours, is not a single disease entity. Rather, it comprises four distinct molecular subgroups (Wnt pathway activated (WNT), Sonic hedgehog pathway activated (SHH), and the less well-characterised Group 3 and Group 4) [7, 15], which are highly divergent in terms of their patient demographics, underlying biology, and survival outcomes [4, 6]. These subgroups are becoming increasingly important, not only for refining the discovery of prognostic markers or therapeutic targets, but also for the design of prospective clinical trials. Patients with WNT subgroup tumours, for example, generally have a favourable prognosis, and may benefit from a reduction or omission of radiotherapy or chemotherapy to spare neurological side-effects or other toxicities, as is now being prospectively tested in upcoming trials both in North America and Europe. In contrast, patients with poor prognosis Group 3 tumours may benefit from intensification of up-front therapy. Furthermore, many new targeted therapeutics are likely to be efficacious in only one subgroup, such as smoothened inhibitors for SHH pathway-driven MB [1, 2]. A phase III clinical trial randomising SMO inhibition against standard of care in relapsed SHH-MB patients will start recruiting in mid-late 2013. A method for accurate and robust classification into tumour subgroups that is applicable to standard pathology specimens is therefore of key clinical relevance.

Abstract Exclusion of brain metastases from clinical trials is a major cause of the limited therapeutic options for this growing population of cancer patients. Here, we report a medium-throughput drug-screening platform (METPlatform) based on organotypic cultures that allows to evaluate inhibitors against metastases growing in situ . By applying this approach to brain metastasis, we identified several hits from a library of FDA approved inhibitors and others being tested in clinical trials. A blood-brain barrier permeable HSP90 inhibitor showed high potency against mouse and human brain metastases at clinically relevant stages of the disease, including a novel model of local relapse after neurosurgery. Furthermore, in situ proteomic analysis applied to organotypic cultures with metastases treated with the chaperone inhibitor revealed novel biomarkers in human brain metastasis and actionable mechanisms of resistance. Our work validates METPlatform as a potent resource for metastasis research integrating drug-screening and unbiased omic approaches that is fully compatible with human samples. We envision that METPlatform could be established as a clinically relevant strategy to personalize the management of metastatic disease in the brain and elsewhere. Summary Systemic spread of cancer continues to be the key aspect associated with lethality. In this publication, Zhu et al. describes a drug-screening platform specifically designed to study vulnerabilities of metastasis when colonizing secondary organs and demonstrates its value in difficult-to-treat brain metastasis using new models and patient-derived samples.

ABSTRACT The unitary postsynaptic response to presynaptic quantal glutamate release is the fundamental basis of excitatory information transfer between neurons. The view, however, of individual glutamatergic synaptic connections in a population as homogenous, fixed-strength units of neural communication is becoming increasingly scrutinized. Here, we used minimal stimulation of individual glutamatergic afferent axons to evoke single synapse resolution postsynaptic responses from central sensory lamina I neurons in an ex vivo adult rat spinal slice preparation. We detected unitary events exhibiting a NMDA receptor component with distinct kinetic properties across synapses conferred by specific GluN2 subunit composition, indicative of GluN2 subtype-based postsynaptic heterogeneity. GluN2A, 2A and 2B, or 2B and 2D synaptic predominance functioned on distinct lamina I neuron types to narrowly, intermediately, or widely tune, respectively, the duration of evoked unitary depolarization events from resting membrane potential, which enabled individual synapses to grade differentially depolarizing steps during temporally-patterned afferent input. Our results lead to a model wherein a core locus of proteomic complexity prevails at this central glutamatergic sensory synapse that involves distinct GluN2 subtype configurations. These findings have major implications for subthreshold integrative capacity and transmission strength in spinal lamina I and other CNS regions.

Intratumoral heterogeneity is a hallmark of diffuse gliomas. We used neuronavigation to acquire 133 image-guided and spatially-separated stereotactic biopsy samples from 16 adult patients with a diffuse glioma, which we characterized using DNA methylation arrays. Samples were obtained from regions with and without imaging abnormalities. Methylation profiles were analyzed to devise a three-dimensional reconstruction of genetic and epigenetic heterogeneity. Molecular aberrations indicated that tumor was found outside imaging abnormalities, underlining the infiltrative nature of this tumor and the limitations of current routine imaging modalities. We demonstrate that tumor purity is highly variable between samples and largely explains apparent epigenetic spatial heterogeneity. Indeed, we observed that DNA methylation subtypes are highly conserved in space after adjusting for tumor purity. Genome-wide heterogeneity analysis showed equal or increased heterogeneity among normal tissue when compared to tumor. These findings were validated in a separate cohort of 61 multi-sector tumor and 64 normal samples. Our findings underscore the infiltrative nature of diffuse gliomas and suggest that heterogeneity in DNA methylation is innate to somatic cells and not a characteristic feature of this tumor type.

We investigated the role of 3D genome architecture in instructing functional properties of glioblastoma stem cells (GSCs) by generating the highest-resolution 3D genome maps to-date for this cancer. Integration of DNA contact maps with chromatin and transcriptional profiles identified specific mechanisms of gene regulation, including individual physical interactions between regulatory regions and their target genes. Residing in structurally conserved regions in GSCs was CD276, a gene known to play a role in immuno-modulation. We show that, unexpectedly, CD276 is part of a stemness network in GSCs and can be targeted with an antibody-drug conjugate to curb self-renewal, a key stemness property. Our results demonstrate that integrated structural genomics datasets can be employed to rationally identify therapeutic vulnerabilities in self-renewing cells.

Pediatric glioblastoma (pGBM) is a lethal cancer with no effective therapies. Intratumoral genetic heterogeneity and mode of tumor evolution have not been systematically addressed for this cancer. Whole-genome sequencing of germline-tumor pairs showed that pGBM is characterized by intratumoral genetic heterogeneity and consequent subclonal architecture. We found that pGBM undergoes extreme evolutionary trajectories, with primary and recurrent tumors having different subclonal compositions. Analysis of variant allele frequencies supported a model of tumor growth involving slow-cycling cancer stem cells that give rise to fast-proliferating progenitor-like cells and to non-dividing cells. pGBM patient germlines had subclonal structural variants, some of which underwent dynamic frequency fluctuations during tumor evolution. By sequencing germlines of mother-father-patient trios, we found that inheritance of deleterious germline variants from healthy parents cooperate with de novo germline and somatic events to the tumorigenic process. Our studies therefore challenge the current notion that pGBM is a relatively homogeneous molecular entity.

ABSTRACT The identification of cancer maintenance genes—driver genes essential to tumor survival—is fundamental for developing effective cancer therapy. Transposon-based insertional mutagenesis screens can identify cancer driver genes broadly but not discriminate maintenance from progression or initiation drivers, which contribute to cancer phenotypes and tumorigenesis, respectively. We engineered a nested, double-jumping transposon system to first dysregulate gene expression during tumorigenesis and then restore gene expression following tumor induction, allowing for genome-wide screening of maintenance essentiality in vivo . In a mouse model of medulloblastoma, the most common pediatric malignancy, insertion and remobilization of this nested transposon uncovers potassium channel genes as recurrent maintenance drivers. In human medulloblastoma, KCNB2 is the most overexpressed potassium channel across Group 3, Group 4, and SHH subgroups, and Kcnb2 knockout in mice diminishes the replicative potential of medulloblastoma-propagating cells to mitigate tumor growth. Kcnb2 governs potassium homeostasis to regulate plasma membrane tension-gated EGFR signaling, which drives proliferative expansion of medulloblastoma-propagating cells. Thus, our novel transposon system reveals potassium homeostasis as essential to tumor maintenance through biomechanical modulation of membrane signaling.

Abstract Medulloblastoma (MB) is the most common malignant childhood brain tumor 1,2 , yet the origin of the most aggressive subgroup-3 form remains elusive, impeding development of effective targeted treatments. Previous analyses of mouse cerebella 3,4 or human counterparts from frozen tissue nuclei 5 have not fully defined the compositional heterogeneity of MBs. Here, we undertook an unprecedented single-cell profiling of freshly-isolated human fetal cerebella to establish a reference map delineating hierarchical cellular states in MBs. We identified a unique transitional cerebellar progenitor connecting neural stem cells to neuronal lineages in developing fetal cerebella. Intersectional analysis revealed that the transitional progenitors were enriched in aggressive MB subgroups, including group-3 and metastatic tumors. Single-cell multi-omics revealed underlying regulatory networks in the transitional progenitor populations, including transcriptional determinants HNRNPH1 and SOX11, which are correlated with clinical prognosis in group-3 MBs. Genomic and Hi-C profiling identified de novo long-range chromatin-loops juxtaposing HNRNPH1/SOX11-targeted super-enhancers to cis -regulatory elements of MYC, an oncogenic driver for group-3 MBs. Targeting the transitional progenitor regulators inhibited MYC expression and MYC-driven group-3 MB growth. Our integrated single-cell atlases of human fetal cerebella and MBs reveal potential cell populations predisposed to transformation and regulatory circuitries underlying tumor cell states and oncogenesis, highlighting hitherto unrecognized transitional progenitor intermediates predictive of disease prognosis and potential therapeutic vulnerabilities.