Single-cell consensus clustering (SC3) provides user-friendly, robust and accurate cell clustering as well as downstream analysis for single-cell RNA-seq data. Single-cell RNA-seq enables the quantitative characterization of cell types based on global transcriptome profiles. We present single-cell consensus clustering (SC3), a user-friendly tool for unsupervised clustering, which achieves high accuracy and robustness by combining multiple clustering solutions through a consensus approach ( http://bioconductor.org/packages/SC3 ). We demonstrate that SC3 is capable of identifying subclones from the transcriptomes of neoplastic cells collected from patients.

As a stress response, senescence is a dynamic process involving multiple effector mechanisms whose combination determines the phenotypic quality. Here we identify autophagy as a new effector mechanism of senescence. Autophagy is activated during senescence and its activation is correlated with negative feedback in the PI3K–mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway. A subset of autophagy-related genes are up-regulated during senescence: Overexpression of one of those genes, ULK3, induces autophagy and senescence. Furthermore, inhibition of autophagy delays the senescence phenotype, including senescence-associated secretion. Our data suggest that autophagy, and its consequent protein turnover, mediate the acquisition of the senescence phenotype.

Immune-regulatory mechanisms of drug-free remission in rheumatoid arthritis (RA) are unknown. We hypothesized that synovial tissue macrophages (STM), which persist in remission, contribute to joint homeostasis. We used single-cell transcriptomics to profile 32,000 STMs and identified phenotypic changes in patients with early/active RA, treatment-refractory/active RA and RA in sustained remission. Each clinical state was characterized by different frequencies of nine discrete phenotypic clusters within four distinct STM subpopulations with diverse homeostatic, regulatory and inflammatory functions. This cellular atlas, combined with deep-phenotypic, spatial and functional analyses of synovial biopsy fluorescent activated cell sorted STMs, revealed two STM subpopulations (MerTK

Cellular senescence has been implicated in tumor suppression, development, and aging and is accompanied by large-scale chromatin rearrangements, forming senescence-associated heterochromatic foci (SAHF). However, how the chromatin is reorganized during SAHF formation is poorly understood. Furthermore, heterochromatin formation in senescence appears to contrast with loss of heterochromatin in Hutchinson-Gilford progeria. We mapped architectural changes in genome organization in cellular senescence using Hi-C. Unexpectedly, we find a dramatic sequence- and lamin-dependent loss of local interactions in heterochromatin. This change in local connectivity resolves the paradox of opposing chromatin changes in senescence and progeria. In addition, we observe a senescence-specific spatial clustering of heterochromatic regions, suggesting a unique second step required for SAHF formation. Comparison of embryonic stem cells (ESCs), somatic cells, and senescent cells shows a unidirectional loss in local chromatin connectivity, suggesting that senescence is an endpoint of the continuous nuclear remodelling process during differentiation.

The expansion of repressive epigenetic marks has been implicated in heterochromatin formation during embryonic development, but the general applicability of this mechanism is unclear. Here we show that nuclear rearrangement of repressive histone marks H3K9me3 and H3K27me3 into nonoverlapping structural layers characterizes senescence-associated heterochromatic foci (SAHF) formation in human fibroblasts. However, the global landscape of these repressive marks remains unchanged upon SAHF formation, suggesting that in somatic cells, heterochromatin can be formed through the spatial repositioning of pre-existing repressively marked histones. This model is reinforced by the correlation of presenescent replication timing with both the subsequent layered structure of SAHFs and the global landscape of the repressive marks, allowing us to integrate microscopic and genomic information. Furthermore, modulation of SAHF structure does not affect the occupancy of these repressive marks, nor vice versa. These experiments reveal that high-order heterochromatin formation and epigenetic remodeling of the genome can be discrete events.

Abstract Using single-cell RNA-seq (scRNA-seq), the full transcriptome of individual cells can be acquired, enabling a quantitative cell-type characterisation based on expression profiles. However, due to the large variability in gene expression, identifying cell types based on the transcriptome remains challenging. We present Single-Cell Consensus Clustering (SC3), a tool for unsupervised clustering of scRNA-seq data. SC3 achieves high accuracy and robustness by consistently integrating different clustering solutions through a consensus approach. Tests on twelve published datasets show that SC3 outperforms five existing methods while remaining scalable, as shown by the analysis of a large dataset containing 44,808 cells. Moreover, an interactive graphical implementation makes SC3 accessible to a wide audience of users, and SC3 aids biological interpretation by identifying marker genes, differentially expressed genes and outlier cells. We illustrate the capabilities of SC3 by characterising newly obtained transcriptomes from subclones of neoplastic cells collected from patients.

Senescence is a fate-determined state, accompanied by reorganization of heterochromatin. Although lineage-appropriate genes can be temporarily repressed through facultative heterochromatin, stable silencing of lineage-inappropriate genes often involves the constitutive heterochromatic mark, histone H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3). The fate of these heterochromatic genes during senescence is unclear. In the present study, we show that a small number of lineage-inappropriate genes, exemplified by the LCE2 skin genes, are derepressed during senescence from H3K9me3 regions in fibroblasts. DNA FISH experiments reveal that these gene loci, which are condensed at the nuclear periphery in proliferative cells, are decompacted during senescence. Decompaction of the locus is not sufficient for LCE2 expression, which requires p53 and C/EBPβ signaling. NLRP3, which is predominantly expressed in macrophages from an open topologically associated domain (TAD), is also derepressed in senescent fibroblasts due to the local disruption of the H3K9me3-rich TAD that contains it. NLRP3 has been implicated in the amplification of inflammatory cytokine signaling in senescence and aging, highlighting the functional relevance of gene induction from ‘permissive’ H3K9me3 regions in senescent cells. The epigenetic mark H3K9me3 is associated with silencing of lineage-inappropriate genes. Here the authors show that some lineage-inappropriate genes are derepressed in senescent cells through physical decompaction of H3K9me3-heterochromatic regions.

Abstract The prevalence of clonal haematopoiesis of indeterminate potential (CHIP) in healthy individuals increases rapidly from age 60 onwards and has been associated with increased risk for malignancy, heart disease and ischemic stroke. CHIP is driven by somatic mutations in stem cells that are also drivers of myeloid malignancies. Since mutations in stem cells often drive leukaemia, we hypothesised that stem cell fitness substantially contributes to transformation from CHIP to leukaemia. Stem cell fitness is defined as the proliferative advantage over cells carrying no or only neutral mutations. It is currently unknown whether mutations in different CHIP genes lead to distinct fitness advantages that could form the basis for patient stratification. We set out to quantify the fitness effects of CHIP drivers over a 12 year timespan in older age, using longitudinal error-corrected sequencing data. We developed a new method based on drift-induced fluctuation (DIF) filtering to extract fitness effects from longitudinal data, and thus quantify the growth potential of variants within each individual. Our approach discriminates naturally drifting populations of cells and faster growing clones, while taking into account individual mutational context. We show that gene-specific fitness differences can outweigh inter-individual variation and therefore could form the basis for personalised clinical management.

TElevated production of collagen-rich extracellular matrix (ECM) is a hallmark of cancer associated fibroblasts (CAFs) and a central driver of cancer aggressiveness. How to target ECM production to oppose cancer is yet unclear, since targeting CAFs has been shown to restrain but also promote cancer progression. Metabolic rewiring is a hallmark of CAFs. Here we find that proline, which is a highly abundant amino acid in collagen proteins, is newly synthesised from glutamine to make tumour collagen in breast cancer xenografts, and that its production is elevated in breast cancer CAFs. PYCR1 is the rate-limiting enzyme for proline synthesis and is highly expressed in the tumour stroma of breast cancer patients and in CAFs. Reducing PYCR1 levels in CAFs is sufficient to reduce tumour collagen production, tumour growth and metastatic spread in vivo and cancer cell proliferation in vitro. PYCR1 and COL1A1 are overexpressed in patients with invasive ductal carcinoma with poor prognosis. Both collagen and glutamine-derived proline synthesis in CAFs are enhanced by increased pyruvate dehydrogenase-derived acetyl-CoA levels, via gene expression regulation through the epigenetic regulator histone acetyl transferase EP300. Altogether, our work unveils unprecedented roles of CAF metabolism to support pro-tumorigenic collagen production. PYCR1 is a recognised cancer cell vulnerability and potential target for therapy, hence, our work provides evidence that targeting PYCR1 in tumours may have the additional benefit of halting the production of pro-tumorigenic ECM.

Summary Acute Myeloid Leukemia (AML) is a typically-lethal molecularly heterogeneous disease, with few broad-spectrum therapeutic targets. Unusually, most AML retain wild-type TP53 , encoding the pro-apoptotic tumor suppressor p53. MDM2 inhibitors (MDM2i), which activate wild-type p53, and BET inhibitors (BETi), targeting the BET-family co-activator BRD4, both show encouraging pre-clinical activity, but limited clinical activity as single agents. Here, we report synergistic toxicity of combined MDM2i and BETi towards AML cell lines, primary human blasts and mouse models, resulting from BETi’s ability to evict an unexpected repressive form of BRD4 from p53 target genes, and hence potentiate MDM2i-induced p53 activation. These results indicate that wild-type TP53 and a transcriptional repressor function of BRD4 together represent a potential broad-spectrum synthetic therapeutic vulnerability for AML.