title: Coevolution of genome and transcriptome in neuroblastoma
Creators: name: Cwikla, Maja-Celine
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: Tumorheterogenität
subject: Neuroblastom
subject: extrachromosomale DNA
subject: Krebsevolution
subject: tumour heterogeneity
subject: neuroblastoma
subject: extrachromosomal DNA
subject: cancer evolution
subject: 570 Biologie

description: Intra-tumorale Heterogenität ist ein Hauptgrund für Therapieresistenz und geringere Überlebensdauer. Neuroblastome zeigen ein breites Spektrum an klinischem Verhalten und damit assoziierte heterogene Merkmale. Diese Arbeit charakterisiert die genomische und transkriptomische intra-tumorale Heterogenität in Neuroblastomen und untersucht die Rolle von extrachromosomaler DNA (ecDNA) bei der Entstehung von Heterogenität und Tumorprogression. Multiregionale DNA- und RNA-Sequenzierung von 10 Neuroblastom-Patienten zeigten erhebliche räumliche und zeitliche Heterogenität, sowie eine Verbindung zwischen Kopienzahlveränderungen und Genexpression. Unterschiede in der MYCN-Kopienzahl zwischen zwei Zeitpunkten deuten auf therapieinduzierte Anpassungen sowie Effekte von ecDNA hin. Zur Untersuchung der ecDNA-Heterogenität analysierte ich DNA- und RNA- Sequenzierdaten von einzelnen Zellen aus Neuroblastom-Zelllinien und -Patienten. Amplikon-Kopienzahlen zeigten eine erhöhte Heterogenität von ecDNA im Vergleich zu linearen Amplifikationen. Diese Heterogenität beeinflusst die Genexpression von Kargogenen, wie MYCN, sowie den allgemeinen Transkriptionszustand der Zellen. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial für schnelle Anpassungsfähigkeit von Tumorzellen durch ecDNA. Ein besseres Verständnis der ecDNA-Dynamiken ist entscheidend für die Entwicklung von gezielten Therapien gegen Tumorprogression und Therapieresistenz. Zur Untersuchung der evolutionären Dynamik von ecDNA-Kopienzahlen implementierte ich eine Markov-Kette, die das Schätzen von Populationsalter und Fitness ermöglicht. Die ecDNA-Verteilungen in Patienten zeigten eine positive Korrelation zwischen Populationsalter und durchschnittlicher ecDNA-Kopienzahl. Ein Vergleich von Fitness und ecDNA-Varianz deutet darauf hin, dass eine mittlere Fitness die Tumorheterogenität begünstigt. Weitere Analysen sind notwendig um mögliche Verbindungen zwischen ecDNA-Dynamiken und dem Ansprechen auf Therapien zu erforschen.
description: Intra-tumour heterogeneity (ITH) is a key driver of treatment resistance and poor patient survival. Neuroblastomas display a vast spectrum of clinical outcomes often associated with heterogenous characteristics. This thesis aims to characterise the ITH on the DNA and RNA level in neuroblastoma and focuses on the role of extrachromosomal DNA (ecDNA) in driving heterogeneity and tumour progression. I analysed a cohort of 10 neuroblastoma patients using multi-region whole-genome and transcriptome sequencing, revealing extensive spatial and temporal ITH. A direct link between copy number altered genes and their gene expression could be observed. Changes in MYCN copy number before and after treatment, suggest therapy-induced alterations of the genome and potential effects of ecDNA. To explore effects of variable ecDNA copy number (CN) on intermediate phenotypes, I leveraged DNA- and RNA-seq data from the same single cells in neuroblastoma cell lines and patients. I determined precise amplicon CN and revealed extensive intercellular ecDNA CN heterogeneity compared to low-level variability in linear amplifications. I further provided direct evidence for the effects of this heterogeneity on gene expression of cargo genes, including MYCN and the overall transcriptional state of neuroblastoma cells. These results highlight the potential for rapid adaptability of cellular states within a tumour cell population mediated by ecDNA CN. To investigate evolutionary dynamics of ecDNA CN, I implemented a Markov chain model which enables the estimation of a populations age and fitness. Evaluation of patients ecDNA CN distributions showed a positive association between the average ecDNA CN and the estimated population age. Comparison of estimated fitness and ecDNA CN variance suggest an intermediate level of selective advantage to be beneficial to maintain tumour heterogeneity. Further analyses might reveal associations between ecDNA CN dynamics and therapy response.