Single-cell RNA sequencing technologies suffer from many sources of technical noise, including under-sampling of mRNA molecules, often termed "dropout," which can severely obscure important gene-gene relationships. To address this, we developed MAGIC (Markov affinity-based graph imputation of cells), a method that shares information across similar cells, via data diffusion, to denoise the cell count matrix and fill in missing transcripts. We validate MAGIC on several biological systems and find it effective at recovering gene-gene relationships and additional structures. Applied to the epithilial to mesenchymal transition, MAGIC reveals a phenotypic continuum, with the majority of cells residing in intermediate states that display stem-like signatures, and infers known and previously uncharacterized regulatory interactions, demonstrating that our approach can successfully uncover regulatory relations without perturbations.

Here we delineate the ontogeny of the mammalian endoderm by generating 112,217 single-cell transcriptomes, which represent all endoderm populations within the mouse embryo until midgestation. We use graph-based approaches to model differentiating cells, which provides a spatio-temporal characterization of developmental trajectories and defines the transcriptional architecture that accompanies the emergence of the first (primitive or extra-embryonic) endodermal population and its sister pluripotent (embryonic) epiblast lineage. We uncover a relationship between descendants of these two lineages, in which epiblast cells differentiate into endoderm at two distinct time points—before and during gastrulation. Trajectories of endoderm cells were mapped as they acquired embryonic versus extra-embryonic fates and as they spatially converged within the nascent gut endoderm, which revealed these cells to be globally similar but retain aspects of their lineage history. We observed the regionalized identity of cells along the anterior–posterior axis of the emergent gut tube, which reflects their embryonic or extra-embryonic origin, and the coordinated patterning of these cells into organ-specific territories. The developing mouse gut endoderm, mapped at single-cell resolution, reveals trajectories of cell differentiation before and during gastrulation and the emergence of regionalized cell identities along the anterior–posterior axis of the gut tube.

Immune checkpoint blockade therapy targets T cell-negative costimulatory molecules such as cytotoxic T lymphocyte antigen-4 (CTLA-4) and programmed cell death-1 (PD-1). Combination anti–CTLA-4 and anti–PD-1 blockade therapy has enhanced efficacy, but it remains unclear through what mechanisms such effects are mediated. A critical question is whether combination therapy targets and modulates the same T cell populations as monotherapies. Using a mass cytometry-based systems approach, we comprehensively profiled the response of T cell populations to monotherapy and combination anti–CTLA-4 plus anti–PD-1 therapy in syngeneic murine tumors and clinical samples. Most effects of monotherapies were additive in the context of combination therapy; however, multiple combination therapy-specific effects were observed. Highly phenotypically exhausted cluster of differentiation 8 (CD8) T cells expand in frequency following anti–PD-1 monotherapy but not combination therapy, while activated terminally differentiated effector CD8 T cells expand only following combination therapy. Combination therapy also led to further increased frequency of T helper type 1 (Th1)-like CD4 effector T cells even though anti–PD-1 monotherapy is not sufficient to do so. Mass cytometry analyses of peripheral blood from melanoma patients treated with immune checkpoint blockade therapies similarly revealed mostly additive effects on the frequencies of T cell subsets along with unique modulation of terminally differentiated effector CD8 T cells by combination ipilimumab plus nivolumab therapy. Together, these findings indicate that dual blockade of CTLA-4 and PD-1 therapy is sufficient to induce unique cellular responses compared with either monotherapy.

Two distinct fates, pluripotent epiblast (EPI) and primitive (extra-embryonic) endoderm (PrE), arise from common progenitor cells, the inner cell mass (ICM), in mammalian embryos. To study how these sister identities are forged, we leveraged embryonic (ES) and e

SUMMARY The thymus is essential for establishing adaptive immunity yet undergoes age-related atrophy leading to compromised immune responsiveness. The thymus is also extremely sensitive to acute insult and although capable of regeneration, this capacity declines with age. Focusing on non-hematopoietic stromal cells, and using single-cell and spatial transcriptomics, lineage-tracing, and advanced imaging, we discovered two atypical thymic epithelial cell (TEC) states that emerged with age. Age-associated (aa)TECs formed atypical high-density epithelial clusters that were devoid of thymocytes, an accretion of non-functional thymic tissue that worsened with age and exhibited features of partial epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). In silico interaction analysis revealed that aaTEC emergence drew tonic signals from other TEC populations at baseline, acting as a sink for TEC growth factors. Following damage, aaTEC expanded substantially, further perturbing trophic pathways, and correlating with defective regeneration of the involuted thymus. These findings define a unique feature of thymic involution linked to immune aging.

Abstract Intratumoral heterogeneity (ITH) is a hallmark of cancer. The advent of single-cell technologies has helped uncover ITH in a high-throughput manner in different cancers across varied contexts. Here we apply single-cell sequencing technologies to reveal striking ITH in assumptively oligoclonal pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) cell lines. Our findings reveal a high degree of both genomic and transcriptomic heterogeneity in established and globally utilized PDAC cell lines, custodial variation induced by growing apparently identical PDAC cell lines in different laboratories, and profound transcriptomic shifts in transitioning from 2D to 3D spheroid growth models. Our findings also call into question the validity of widely available immortalized, non-transformed pancreatic lines as contemporaneous “control” lines in experiments. Further, while patient-derived organoid (PDOs) are known to reflect the cognate in vivo biology of the parental tumor, we identify transcriptomic shifts during ex vivo passage that might hamper their predictive abilities over time. The impact of these findings on rigor and reproducibility of experimental data generated using established preclinical PDAC models between and across laboratories is uncertain, but a matter of concern.

SUMMARY Somatic chromosomal deletions are prevalent in cancer, yet their functional contributions remain ill-defined. Among the most prominent of these events are deletions of chromosome 9p21.3, which disable a cell intrinsic barrier to tumorigenesis by eliminating the CDKN2A/B tumor suppressor genes. However, half of 9p21.3 deletions encompass a cluster of 16 type I interferons (IFNs) whose co-deletions have not been functionally characterized. To dissect how 9p21.3 and other genomic deletions impact cancer, we developed MACHETE (Molecular Alteration of Chromosomes with Engineered Tandem Elements), a genome engineering strategy that enables flexible modeling of megabase-sized deletions. Generation of 9p21.3-syntenic deletions in a mouse model of pancreatic cancer revealed that concomitant loss of Cdkn2a/b and the IFN cluster led to immune evasion and metastasis compared to Cdkn2a/b -only deletions. Mechanistically, IFN co-deletion disrupted type I IFN signaling, altered antigen-presenting cells, and facilitated escape from CD8+ T cell surveillance in a cell extrinsic manner requiring loss of interferon epsilon ( Ifne ). Our results establish co-deletions of the IFN cluster as a pervasive route to tumor immune evasion and metastasis, revealing how deletions can disable physically linked cell intrinsic and extrinsic tumor suppression. Our study establishes a framework to dissect the functions of genomic deletions in cancer and beyond.

Abstract The thymus is essential for establishing adaptive immunity yet undergoes age-related involution that leads to compromised immune responsiveness. The thymus is also extremely sensitive to acute insult and although capable of regeneration, this capacity declines with age for unknown reasons. We applied single-cell and spatial transcriptomics, lineage-tracing and advanced imaging to define age-related changes in nonhematopoietic stromal cells and discovered the emergence of two atypical thymic epithelial cell (TEC) states. These age-associated TECs (aaTECs) formed high-density peri-medullary epithelial clusters that were devoid of thymocytes; an accretion of nonproductive thymic tissue that worsened with age, exhibited features of epithelial-to-mesenchymal transition and was associated with downregulation of FOXN1. Interaction analysis revealed that the emergence of aaTECs drew tonic signals from other functional TEC populations at baseline acting as a sink for TEC growth factors. Following acute injury, aaTECs expanded substantially, further perturbing trophic regeneration pathways and correlating with defective repair of the involuted thymus. These findings therefore define a unique feature of thymic involution linked to immune aging and could have implications for developing immune-boosting therapies in older individuals.

To comprehensively delineate the ontogeny of an organ system, we generated 112,217 single-cell transcriptomes representing all endoderm populations within the mouse embryo until midgestation. We employed graph-based approaches to model differentiating cells for spatio-temporal characterization of developmental trajectories. Our analysis reveals the detailed architecture of the emergence of the first (primitive or extra-embryonic) endodermal population and pluripotent epiblast. We uncover an unappreciated relationship between descendants of these lineages, before the onset of gastrulation, suggesting that mixing of extra-embryonic and embryonic endoderm cells occurs more than once during mammalian development. We map the trajectories of endoderm cells as they acquire embryonic versus extra-embryonic fates, and their spatial convergence within the gut endoderm; revealing them to be globally similar but retaining aspects of their lineage history. We observe the regionalized localization of cells along the forming gut tube, reflecting their extra-embryonic or embryonic origin, and their coordinate patterning into organ-specific territories along the anterior-posterior axis.