Abstract Single-cell genomics is essential to chart tumor ecosystems. Although single-cell RNA-Seq (scRNA-Seq) profiles RNA from cells dissociated from fresh tumors, single-nucleus RNA-Seq (snRNA-Seq) is needed to profile frozen or hard-to-dissociate tumors. Each requires customization to different tissue and tumor types, posing a barrier to adoption. Here, we have developed a systematic toolbox for profiling fresh and frozen clinical tumor samples using scRNA-Seq and snRNA-Seq, respectively. We analyzed 216,490 cells and nuclei from 40 samples across 23 specimens spanning eight tumor types of varying tissue and sample characteristics. We evaluated protocols by cell and nucleus quality, recovery rate and cellular composition. scRNA-Seq and snRNA-Seq from matched samples recovered the same cell types, but at different proportions. Our work provides guidance for studies in a broad range of tumors, including criteria for testing and selecting methods from the toolbox for other tumors, thus paving the way for charting tumor atlases.

Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd individuals. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across tumors from affected individuals and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

Immune checkpoint blockade (ICB) results in durable disease control in a subset of patients with advanced renal cell carcinoma (RCC), but mechanisms driving resistance are poorly understood. We characterize the single-cell transcriptomes of cancer and immune cells from metastatic RCC patients before or after ICB exposure. In responders, subsets of cytotoxic T cells express higher levels of co-inhibitory receptors and effector molecules. Macrophages from treated biopsies shift toward pro-inflammatory states in response to an interferon-rich microenvironment but also upregulate immunosuppressive markers. In cancer cells, we identify bifurcation into two subpopulations differing in angiogenic signaling and upregulation of immunosuppressive programs after ICB. Expression signatures for cancer cell subpopulations and immune evasion are associated with PBRM1 mutation and survival in primary and ICB-treated advanced RCC. Our findings demonstrate that ICB remodels the RCC microenvironment and modifies the interplay between cancer and immune cell populations critical for understanding response and resistance to ICB.

Malignant abdominal fluid (ascites) frequently develops in women with advanced high-grade serous ovarian cancer (HGSOC) and is associated with drug resistance and a poor prognosis1. To comprehensively characterize the HGSOC ascites ecosystem, we used single-cell RNA sequencing to profile ~11,000 cells from 22 ascites specimens from 11 patients with HGSOC. We found significant inter-patient variability in the composition and functional programs of ascites cells, including immunomodulatory fibroblast sub-populations and dichotomous macrophage populations. We found that the previously described immunoreactive and mesenchymal subtypes of HGSOC, which have prognostic implications, reflect the abundance of immune infiltrates and fibroblasts rather than distinct subsets of malignant cells2. Malignant cell variability was partly explained by heterogeneous copy number alteration patterns or expression of a stemness program. Malignant cells shared expression of inflammatory programs that were largely recapitulated in single-cell RNA sequencing of ~35,000 cells from additionally collected samples, including three ascites, two primary HGSOC tumors and three patient ascites-derived xenograft models. Inhibition of the JAK/STAT pathway, which was expressed in both malignant cells and cancer-associated fibroblasts, had potent anti-tumor activity in primary short-term cultures and patient-derived xenograft models. Our work contributes to resolving the HSGOC landscape3–5 and provides a resource for the development of novel therapeutic approaches. Single-cell transcriptomics analysis of malignant ascites samples from patients with high-grade serous ovarian cancer reveals inter- and intra-patient heterogeneity in malignant cells, cancer-associated fibroblasts and macrophages.

Abstract In diploid cells, maternal and paternal copies of genes usually have similar transcriptional activity. Mammalian allele-specific epigenetic mechanisms such as X-chromosome inactivation (XCI) and imprinting were historically viewed as rare exceptions to this rule. The discovery of mitotically stable monoallelic autosomal expression (MAE) a decade ago revealed an additional allele-specific mode regulating thousands of mammalian genes. However, despite its prevalence, the mechanistic basis of MAE remains unknown. To uncover the mechanism of MAE maintenance, we devised a small-molecule screen for reactivation of silenced alleles across multiple loci using targeted RNA sequencing. Contrary to previous reports, we identified DNA methylation as a key mechanism of MAE mitotic maintenance. In contrast with the binary choice of the active allele in XCI, stringent transcriptome-wide analysis revealed MAE as a regulatory mode with tunable control of allele-specific expression, dependent on the extent of DNA methylation. In a subset of MAE genes, allelic imbalance was insensitive to changes in DNA methylation, implicating additional mechanisms in MAE maintenance in these loci. Our findings identify a key mechanism of MAE maintenance, reveal tunability of this mode of gene regulation, and provide the essential platform for probing the biological role of MAE in development and disease.

SUMMARY Neuroblastoma is a pediatric cancer arising from the developing sympathoadrenal lineage with complex inter- and intra-tumoral heterogeneity. To chart this complexity, we generated a comprehensive cell atlas of 55 neuroblastoma patient tumors, collected from two pediatric cancer institutions, spanning a range of clinical, genetic, and histologic features. Our atlas combines single-cell/nucleus RNA-seq (sc/scRNA-seq), bulk RNA-seq, whole exome sequencing, DNA methylation profiling, spatial transcriptomics, and two spatial proteomic methods. Sc/snRNA-seq revealed three malignant cell states with features of sympathoadrenal lineage development. All of the neuroblastomas had malignant cells that resembled sympathoblasts and the more differentiated adrenergic cells. A subset of tumors had malignant cells in a mesenchymal cell state with molecular features of Schwann cell precursors. DNA methylation profiles defined four groupings of patients, which differ in the degree of malignant cell heterogeneity and clinical outcomes. Using spatial proteomics, we found that neuroblastomas are spatially compartmentalized, with malignant tumor cells sequestered away from immune cells. Finally, we identify spatially restricted signaling patterns in immune cells from spatial transcriptomics. To facilitate the visualization and analysis of our atlas as a resource for further research in neuroblastoma, single cell, and spatial-omics, all data are shared through the Human Tumor Atlas Network Data Commons at www.humantumoratlas.org .

Abstract Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd patients. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across patient tumors and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage, and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T-cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we thus reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

Abstract The peripheral nervous system responds to a wide variety of sensory stimuli, a process that requires great neuronal diversity. These diverse peripheral sensory neurons are closely associated with glial cells that originate from the neural crest (NC). However, the molecular nature and origins of diversity among peripheral glia is not understood. Here we used single cell RNA sequencing to profile and compare developing and mature glia from somatosensory lumbar dorsal root ganglia (DRG) and auditory spiral ganglia (SG). We found that the glial precursors (GPs) differ in their transcriptional profile and prevalence in these two systems. Despite their unique features, somatosensory and auditory GPs undergo convergent differentiation to generate myelinating and non-myelinating Schwann cells that are molecularly uniform. By contrast, although satellite glia surround the neuronal cell bodies in both ganglia, we found that those in the SG express multiple myelination-associated genes, while DRG satellite cells express components that suppress myelination. Lastly, we identified a set of glial signature genes that are also expressed by placode-derived supporting cells, providing new insights into commonalities among glia across the nervous system. This comprehensive survey of gene expression in peripheral glia constitutes a valuable resource for understanding how glia acquire specialized functions and how their roles differ across sensory modalities.

Abstract TP53 is the most frequently mutated gene across many cancers and is associated with shorter survival in non-small cell lung cancer (NSCLC). To understand how TP53 -mutant ( TP53 mut ) malignant cells interact with the tumor microenvironment (TME) at a molecular, cellular, and tissue level, we built a multi-omic cellular and spatial tumor atlas of 23 treatment-naïve NSCLC human tumors. We identified significant differences in malignant expression programs and spatial cell-cell interactions between TP53 mut and TP53 WT tumors and found that highly-entropic TP53 mut malignant cells lose alveolar identity and coincide with an increased abundance of exhausted T cells and immune checkpoint interactions with implications for response to checkpoint blockade. We also identified a multicellular, pro-metastatic, hypoxic tumor niche, where highly-plastic, TP53 mut malignant cells expressing epithelial to mesenchymal transition (EMT) programs associate with SPP1 + myeloid cells and collagen-expressing cancer-associated fibroblasts. Our approach can be further applied to investigate mutation-specific TME changes in other solid tumors.