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L’amplificazione focale del numero di copie è un evento oncogenico. Sebbene studi recenti abbiano rivelato la struttura complessa1,2,3 e le traiettorie evolutive4 degli ampliconi dell'oncogene, la loro origine rimane poco compresa. Qui mostriamo che le amplificazioni focali nel cancro al seno derivano spesso da un meccanismo, che chiamiamo amplificazione del ponte di traslocazione, che coinvolge traslocazioni intercromosomiche che portano alla formazione e alla rottura di ponti cromosomici dicentrici. In 780 genomi di cancro al seno, osserviamo che le amplificazioni focali sono spesso collegate tra loro da traslocazioni intercromosomiche ai loro confini. L'analisi successiva indica il seguente modello: l'intorno dell'oncogene viene traslocato in G1 creando un cromosoma dicentrico, il cromosoma dicentrico viene replicato e, man mano che i cromosomi fratelli dicentrici si segregano durante la mitosi, si forma un ponte cromosomico che poi si rompe, con frammenti spesso circolarizzati in cellule extracromosomiche. DNA. Questo modello spiega le amplificazioni degli oncogeni chiave, inclusi ERBB2 e CCND1. I confini ricorrenti dell’amplificazione e gli hotspot di riarrangiamento sono correlati al legame dei recettori degli estrogeni nelle cellule di cancro al seno. Sperimentalmente, il trattamento con estrogeni induce rotture del doppio filamento del DNA nelle regioni bersaglio dei recettori degli estrogeni che vengono riparate dalle traslocazioni, suggerendo un ruolo degli estrogeni nel generare le traslocazioni iniziali. Un'analisi pan-cancro rivela distorsioni tessuto-specifiche nei meccanismi che avviano le amplificazioni focali, con il ciclo rottura-fusione-ponte prevalente in alcuni e l'amplificazione del ponte traslocazione in altri, probabilmente a causa dei diversi tempi di riparazione della rottura del DNA. I nostri risultati identificano una modalità comune di amplificazione dell’oncogene e propongono gli estrogeni come origine meccanicistica nel cancro al seno.

L'amplificazione del numero di copie è una modalità comune di attivazione dell'oncogene nel cancro1. Contrariamente agli aumenti del numero di copie su larga scala come le aneuploidie su scala del braccio cromosomico, le amplificazioni degli oncogeni sono spesso focali con ampiezza elevata5,6, suggerendo meccanismi causali distinti. Il lavoro precedente ha stabilito che le cellule tumorali possono intraprendere diversi percorsi evolutivi per acquisire un’amplificazione del numero di copie di alto livello. In alcuni casi, gli oncogeni vengono amplificati linearmente dopo una singola rottura del doppio filamento del DNA (DSB) attraverso il ciclo rottura-fusione-ponte (BFB)2: cicli iterativi di rottura cromosomica, replicazione del DNA, fusione dei cromatidi fratelli e formazione di ponti cromosomici dicentrici che provoca un'altra rottura. Più recentemente, è stato dimostrato che amplificazioni elevate possono avere origine anche dalla cromotripsi, il fenomeno di massiccia frammentazione e riarrangiamento cromosomico, attraverso la formazione di DNA circolari extracromosomici3,7,8,9,10,11 (ecDNA). I cicli di cromotripsi e BFB sono spesso intrecciati perché la cromotripsi può generare rotture del DNA che danno inizio ai BFB e il ciclo BFB può far precipitare la cromotripsi4,12,13. Nonostante questi progressi, gli eventi mutazionali iniziali che portano ad amplificazioni focali di oncogeni rimangono poco compresi.

Il cancro al seno è uno dei tipi di cancro in cui l'amplificazione focale degli oncogeni ha un ruolo cruciale nell'oncogenesi14. In molti tumori al seno, oncogeni autentici come HER2 (noto anche come ERBB2) e ciclina D1 (CCND1) subiscono un'amplificazione focale, definendo sottogruppi clinicamente rilevanti14,15. Queste amplificazioni focali si verificano tipicamente nelle fasi iniziali dell'oncogenesi mammaria, probabilmente contribuendo alla transizione dall'iperplasia duttale atipica al carcinoma duttale in situ16,17. È stata segnalata anche la comparsa tardiva di amplificazioni focali durante il trattamento18, suggerendo la loro relazione con i processi mutazionali in corso nelle cellule tumorali. Nonostante l’importanza delle amplificazioni focali nel cancro al seno, non è ancora chiaro come la cellula di origine acquisisca gli ampliconi e se questo processo sia associato a fattori di rischio per il cancro al seno.

5 as concerning and >10 as serious collinearity issues65./p>9). The background represents the bins that do not contain amplification boundaries. All epigenomic features were from MCF7 cells, except for TOP2B (from MCF10A cells). DHS, DNase I hypersensitivity sites. c. Pearson's correlation coefficients between the ERα binding in MCF7 cells and in tissues, including multiple breast cancer samples and normal luminal breast epithelial cells from a previous study (Supplementary Table 3). The analysis is based on 1 Mbp-sized genome-wide bins. d. Assessment of multicollinearity between the epigenomic features by variant inflation factor (VIF; Methods). Some variables showed moderate degree of multicollinearity (VIF 3−5) although others including E2-ERα showed low degree of multicollinearity (VIF < 3). Given these reassuring features, we performed multivariate linear mixed-effect model (panel e), as an adjunct analysis. e. Predictors of amplification boundaries in the multivariate linear mixed-effect model, by the ER status. 100 Kbp-sized genome-wide bins were used in this analysis. Raw p-values from two-sided test are shown. f. A greater cumulative E2-ERα binding is observed in the 100-Kbp bins with more frequent overlaps with the focal amplification boundaries. E2-ERα ChIP-seq data from MCF7 cell line was used in this analysis. Box plots indicate median (thick line), first and third quartiles (edges), and 1.5× of interquartile range (whiskers). Statistical significance was determined by the one-sided rank sum test. g. Binding intensity (fold enrichment) of E2-treated ERα, CTCF, FOXA1, and GATA3 in MCF7 cells based on the 1 Mbp-sized genomic bins with different levels of overlap with the focal amplification boundaries (upper panel). The numbers of genomic bins used in each category are as follows: n = 25663 (recurrence = 0), 4334 (1−3), 118 (4−6), and 39 (≥7). Box plots indicate median (thick line), first and third quartiles (edges), and 1.5x of interquartile range (whiskers). A statistically significant increase in the binding intensity of E2-treated ERα was observed with increasing recurrence of amplification boundaries (p = 2.8 × 10−6, one-sided Wilcoxon's rank sum test). Genomic distances from the bins containing the amplification boundaries to the strong binding peaks (top 10%) of E2-ERα, CTCF, FOXA1, and GATA3 in MCF7 cells (lower panel). Black dots indicate median, and the vertical lines indicate the range between first and third quartiles. h. Enrichment of different classes of variants with respect to the expected values under the assumption of uniform distribution in 100-Kbp genomic bins within 5-Mbp window for each E2-induced ERα peak locus. Statistical significance was assessed by one-sided Fisher's exact test. i. Relative density of amplification boundaries, SVs, and indels by their subgroups around the E2-ERα peaks (±50-Kbp window from the center of the peak). Here, the amplification boundary hotspots were defined as 100-Kbp bins supported by >4 tumors. Number of variants used in the analysis was marked on the right. HRP, HR-proficient tumors; HRD, HR-deficient tumors. j. Subgroup analyses of the relationship between the SV hotspots of the unamplified regions and the frequency of E2-ERα binding peaks in the regions (related to Fig. 3c). A positive correlation between the E2-ERα peaks and the unamplified SV hotspots is observed among the HR-proficient tumors. In contrast, the trend is not found in HR-deficient tumors./p> 4-fold change by the E2 treatment) between the induced breaks and the prey regions in the T47D cells./p>3 fold (from 22 to 69; odds ratio: 1.87 compared to the background; p = 0.009 by Fisher's exact test, two-sided) in the purple shadow region (chr17:38,450,000-38,750,000). E2-induced HTGTS translocation hotspots, prominent E2-ERα binding peaks, and the telomeric boundary of the ERBB2 amplicons well overlapped each other, suggesting E2-induced, ERα-mediated fragility as the mechanism of initial translocation that led to the TB amplification. Local DNA fragmentation and segmental loss after the chromosome bridge breakage could explain the tumors with more proximal boundaries. b. A similar example of CCND1 (orange shadow) amplification and its neighborhood. The HTGTS translocation breakpoints were from the experiments using sgRARA. E2 treatment also increased the frequency of translocations from 14 to 40 in the region around SHANK2 (chr11:70,300,000-71,000,000; purple shadow), but this was not significantly larger than the background increase (odds ratio: 1.70; p = 0.09 by two-sided Fisher's exact test). Further discussions in Supplementary Fig. 7. c. An example of unamplified SV hotspot in GATA3, which overlaps with the E2-induced HTGTS translocation hotspot. d. Another example of unamplified SV hotspot in FOXA1./p>