MYCN amplification in neuroblastoma: sequence, chromatin landscape, and genome remodeling

Abstract

MYCN amplification drives half of all high-risk neuroblastomas and confers dismal prognosis. It occurs when MYCN and other chromosomal fragments are joined together to form an amplicon sequence that can be found tens to hundreds of times per cell. In most cases, these copies come as extrachromosomal DNA (ecDNA) in addition to chromosomes. The sequence and chromatin landscape of the MYCN amplicon has not been systematically mapped, gene regulation in the context of amplification has not been explored, and the consequences of extrachromosomal amplification are incompletely understood. Here, we analyze Illumina and Nanopore whole- genome sequencing, RNA-seq, ATAC-seq, ChIP-seq, and Hi-C data of primary neuroblastomas and neuroblastoma cell lines. We map MYCN-driving enhancers in neuroblastoma and identify co- amplification of local enhancers as the main principle governing the non-coding contents of MYCN amplification. We find that loss of local enhancers can be compensated for by the incorporation of distal enhancers and the formation of new chromatin domains through structural variation on the amplicon. We show that MYCN amplification in neuroblastoma is associated with clusters of interchromosomal rearrangements at the MYCN locus indicative of complex amplicon structure or re-integration of ecDNA into chromosomes. This can affect gene expression and is prognostically relevant. Finally, we describe heterogeneous ecDNA populations and show that ecDNA can engage in in trans interactions forming transcriptionally active hubs of individual amplicon copies. Our results demonstrate how non-coding elements shape amplification structure and function. Together, they suggest a model of amplification as building blocks for genome remodeling and nuclear reorganization.

MYCN Amplifikation charakterisiert etwa jedes zweite Hochrisiko-Neuroblastom und geht mit besonders aggressivem klinischem Verhalten einher. In solchen Tumoren sind MYCN und andere chromosomale Fragmente zu einer Amplikonsequenz zusammengefügt, die dann meist viele dutzendmal kopiert pro Zelle vorliegt. Typischerweise liegen die Amplikonkopien als ringförmige extrachromosomale DNA (ecDNA) zusätzlich zu den Chromosomen vor. Wie Sequenz und Epigenetik des MYCN-Amplikons zur Genregulation im Kontext von Amplifikation beitragen, wurde bisher noch nicht systematisch untersucht. Auch die Auswirkungen extrachromosomaler Amplifikation auf das chromosomale Genom und dessen Organisation im Zellkern sind nur unvollständig bekannt. In der vorliegenden Arbeit analysieren wir Illumina und Nanopore Whole Genome Sequencing, RNA-seq, ATAC-seq, ChIP-seq und Hi-C-Daten von primären Neuroblastomen und Zelllinien. Wir lokalisieren MYCN-regulierende Enhancer und identifizieren die Ko-Amplifikation von lokalen Enhancern als Prinzip, das die Sequenz von MYCN Amplifikation entscheidend mitbestimmt. Wir stellen fest, dass der Verlust lokaler Enhancer durch den Einbau distaler Enhancer und die Bildung neuer Chromatindomänen durch strukturelle Veränderungen auf dem Amplikon kompensiert werden kann. Außerdem zeigen wir, dass MYCN- Amplifikation mit Clustern von interchromosomalen Bruchpunkten am MYCN-Lokus einhergeht, die auf komplexe ecDNA-Strukturen oder die Re-Integration von ecDNA in Chromosomen hinweisen. Dies kann die Genexpression in der Bruchpunktumgebung beeinflussen und wird als klinisch prognostischer Faktor identifiziert. Zuletzt beschreiben wir heterogene ecDNA- Populationen, die Organisation von ecDNA in transkriptionell aktiven ‚ecDNA hubs‘ im Zellkern und zeigen, dass ecDNA in trans interagieren kann. Unsere Ergebnisse zeigen, wie nicht- kodierende DNA-Elemente die Struktur und Funktion von Genamplifikationen mitbestimmen. Davon ausgehend schlagen wir ein Modell von Genamplifikationen als Bausteine zur Umordnung des Genoms und der Zellkernorganisation vor.