Extrachromosomal circularization of DNA is an important genomic feature in cancer. However, the structure, composition and genome-wide frequency of extrachromosomal circular DNA have not yet been profiled extensively. Here, we combine genomic and transcriptomic approaches to describe the landscape of extrachromosomal circular DNA in neuroblastoma, a tumor arising in childhood from primitive cells of the sympathetic nervous system. Our analysis identifies and characterizes a wide catalog of somatically acquired and undescribed extrachromosomal circular DNAs. Moreover, we find that extrachromosomal circular DNAs are an unanticipated major source of somatic rearrangements, contributing to oncogenic remodeling through chimeric circularization and reintegration of circular DNA into the linear genome. Cancer-causing lesions can emerge out of circle-derived rearrangements and are associated with adverse clinical outcome. It is highly probable that circle-derived rearrangements represent an ongoing mutagenic process. Thus, extrachromosomal circular DNAs represent a multihit mutagenic process, with important functional and clinical implications for the origins of genomic remodeling in cancer. Combined genomic and transcriptomic approaches identify the landscape of extrachromosomal circular DNA in neuroblastoma and reveal that extrachromosomal circular DNA is a major source of somatic rearrangements.

Abstract The small molecule inhibitor of ataxia telangiectasia and Rad3-related protein (ATR), elimusertib, is currently being tested clinically in various cancer entities in adults and children. Its preclinical anti-tumor activity in pediatric malignancies, however, is largely unknown. We here assessed the preclinical activity of elimusertib in >40 cell lines and >30 patient-derived xenograft (PDX) models derived from common pediatric solid tumor entities. Detailed in vitro and in vivo molecular characterization of the treated models enabled the evaluation of response biomarkers. Pronounced objective response rates were observed for elimusertib monotherapy in PDX, when treated with a regimen currently used in clinical trials. Strikingly, elimusertib outperformed standard of care chemotherapies, particularly in alveolar rhabdomysarcoma PDX. Thus, elimusertib has strong preclinical anti-tumor activity in pediatric solid tumor models, which may translate to clinically meaningful responses in patients. Statement of translational relevance Elimusertib is a small molecule inhibitor of ATR. ATR inhibitors have shown promising results as anticancer agents in adult cancers, but there is limited information on their effectiveness in pediatric solid tumors. Using a cohort of 32 patient-derived xenografts from pediatric solid tumors, we here evaluated the therapeutic potential of elimusertib in vivo . Elimusertib reduced tumor volume growth in all samples. Elimusertib had very limited toxicity and was potent even in tumors with preexisting chemoresistance. Our preclinical data indicates that elimusertib is a safe and potent therapeutic option for pediatric solid tumors. This data may serve as a rationale for the development of pediatric clinical trials for ATR inhibitors.

Abstract Pathognomonic PAX3-FOXO1 fusion oncogene expression is associated with poor outcome in rhabdomyosarcoma. Combining genome-wide CRISPR screening with cell- based functional genetic approaches, we here provide evidence that PAX3-FOXO1 induces replication stress, resulting in a synthetic lethal dependency to ATR-mediated DNA damage-response signaling in rhabdomyosarcoma. Expression of PAX3-FOXO1 in muscle progenitor cells was not only sufficient to induce hypersensitivity to ATR inhibition, but PAX3-FOXO1-expressing rhabdomyosarcoma cells also exhibited increased sensitivity to structurally diverse inhibitors of ATR, a dependency that could be validated genetically. Mechanistically, ATR inhibition led to replication stress exacerbation, decreased BRCA1 phosphorylation and reduced homologous recombination-mediated DNA repair pathway activity. Consequently, ATR inhibitor treatment increased sensitivity of rhabdomyosarcoma cells to PARP inhibition in vitro , and combined ATR and PARP inhibition induced regression of primary patient-derived alveolar rhabdomyosarcoma xenografts in vivo . Moreover, a genome-wide CRISPR activation screen (CRISPRa) identified FOS gene family members as inducers of resistance against ATR inhibitors. Mechanistically, FOS gene family members reduced replication stress in rhabdomyosarcoma cells. Lastly, compassionate use of ATR inhibitors in two pediatric patients suffering from relapsed PAX3-FOXO1-expressing alveolar rhabdomyosarcoma showed signs of tolerability, paving the way to clinically exploit this novel synthetic lethal dependency in rhabdomyosarcoma.

Summary Although DNA amplifications in cancers frequently harbor passenger genes alongside oncogenes, the functional consequence of such co-amplifications and their impact for therapy remains ill-defined. We discovered that passenger co-amplifications can create amplicon structure-specific collateral vulnerabilities. We present the DEAD-box helicase 1 ( DDX1 ) gene as a bona fide passenger co-amplified with MYCN in cancers. Survival of cancer cells with DDX1 co-amplifications strongly depends on the mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1). Mechanistically, aberrant DDX1 expression inhibits the tricarboxylic acid cycle through a previously unrecognized interaction with dihydrolipoamide S-succinyltransferase, a component of the alpha-ketoglutarate dehydrogenase complex. Cells expressing aberrant DDX1 levels compensate for the metabolic shift by enhancing mTORC1 activity. Consequently, pharmacological mTORC1 inhibition triggered cell death specifically in cells harboring the DDX1 co-amplification. This work highlights a significant contribution of passenger gene alterations to the therapeutic susceptibility of cancers. Graphical abstract

MYCN amplification drives one in six cases of neuroblastoma. The supernumerary gene copies are commonly found on highly rearranged, extrachromosomal circular DNA. The exact amplicon structure has not been described thus far and the functional relevance of its rearrangements is unknown. Here, we analyzed the MYCN amplicon structure and its chromatin landscape. This revealed two distinct classes of amplicons which explain the regulatory requirements for MYCN overexpression. The first class always co-amplified a proximal enhancer driven by the noradrenergic core regulatory circuit (CRC). The second class of MYCN amplicons was characterized by high structural complexity, lacked key local enhancers, and instead contained distal chromosomal fragments, which harbored CRC-driven enhancers. Thus, ectopic enhancer hijacking can compensate for the loss of local gene regulatory elements and explains a large component of the structural diversity observed in MYCN amplification.