Developmental processes underlying normal tissue regeneration have been implicated in cancer, but the degree of their enactment during tumor progression and under the selective pressures of immune surveillance, remain unknown. Here we show that human primary lung adenocarcinomas are characterized by the emergence of regenerative cell types, typically seen in response to lung injury, and by striking infidelity among transcription factors specifying most alveolar and bronchial epithelial lineages. In contrast, metastases are enriched for key endoderm and lung-specifying transcription factors, SOX2 and SOX9, and recapitulate more primitive transcriptional programs spanning stem-like to regenerative pulmonary epithelial progenitor states. This developmental continuum mirrors the progressive stages of spontaneous outbreak from metastatic dormancy in a mouse model and exhibits SOX9-dependent resistance to natural killer cells. Loss of developmental stage-specific constraint in macrometastases triggered by natural killer cell depletion suggests a dynamic interplay between developmental plasticity and immune-mediated pruning during metastasis. Single-cell analysis of lung cancer progression uncovers developmental and regenerative programs co-opted by cancer cells and immune-mediated pruning during metastatic outbreak

Small cell lung cancer (SCLC) is an aggressive malignancy that includes subtypes defined by differential expression of ASCL1, NEUROD1, and POU2F3 (SCLC-A, -N, and -P, respectively). To define the heterogeneity of tumors and their associated microenvironments across subtypes, we sequenced 155,098 transcriptomes from 21 human biospecimens, including 54,523 SCLC transcriptomes. We observe greater tumor diversity in SCLC than lung adenocarcinoma, driven by canonical, intermediate, and admixed subtypes. We discover a PLCG2-high SCLC phenotype with stem-like, pro-metastatic features that recurs across subtypes and predicts worse overall survival. SCLC exhibits greater immune sequestration and less immune infiltration than lung adenocarcinoma, and SCLC-N shows less immune infiltrate and greater T cell dysfunction than SCLC-A. We identify a profibrotic, immunosuppressive monocyte/macrophage population in SCLC tumors that is particularly associated with the recurrent, PLCG2-high subpopulation.

Equal opportunity tissue regeneration Tissue regeneration is thought to be driven primarily by rare stem cells with distinctive properties. Single-cell RNA sequencing allows rigorous testing of this hypothesis. Karthaus et al. examined the regeneration of normal prostate tissue in mice after androgen ablation, a common treatment for prostate cancer (see the Perspective by Kelly). Unexpectedly, they found that in addition to rare stem cells, a large population of differentiated cells was a major contributor to prostate regeneration, a result that they confirmed in a study of human prostate tissue. Investigation of the molecular mechanism by which the differentiated cells acquired regenerative potential yielded insights that could potentially lead to improved therapies for prostate cancer. Science , this issue p. 497 ; see also p. 467

ABSTRACT Metacells are cell groupings derived from single-cell sequencing data that represent highly granular, distinct cell states. Here, we present single-cell aggregation of cell-states (SEACells), an algorithm for identifying metacells; overcoming the sparsity of single-cell data, while retaining heterogeneity obscured by traditional cell clustering. SEACells outperforms existing algorithms in identifying accurate, compact, and well-separated metacells in both RNA and ATAC modalities across datasets with discrete cell types and continuous trajectories. We demonstrate the use of SEACells to improve gene-peak associations, compute ATAC gene scores and measure gene accessibility in each metacell. Metacell-level analysis scales to large datasets and are particularly well suited for patient cohorts, including facilitation of data integration. We use our metacells to reveal expression dynamics and gradual reconfiguration of the chromatin landscape during hematopoietic differentiation, and to uniquely identify CD4 T cell differentiation and activation states associated with disease onset and severity in a COVID-19 patient cohort.

ABSTRACT Small cell lung cancer (SCLC) is an aggressive malignancy that includes subtypes defined by differential expression of ASCL1 , NEUROD1 , and POU2F3 (SCLC-A, -N, and -P, respectively), which are associated with distinct therapeutic vulnerabilities. To define the heterogeneity of tumors and their associated microenvironments across subtypes, we sequenced 54,523 cellular transcriptomes from 21 human biospecimens. Our single-cell SCLC atlas reveals tumor diversity exceeding lung adenocarcinoma, driven by canonical, intermediate, and admixed subtypes. We discovered a PLCG2 -high tumor cell population with stem-like, pro-metastatic features that recurs across subtypes and predicts worse overall survival, and manipulation of PLCG2 expression in cells confirms correlation with key metastatic markers. Treatment and subtype are associated with substantial phenotypic changes in the SCLC immune microenvironment, with greater T-cell dysfunction in SCLC-N than SCLC-A. Moreover, the recurrent, PLCG2- high subclone is associated with exhausted CD8+ T-cells and a pro-fibrotic, immunosuppressive monocyte/macrophage population, suggesting possible tumor-immune coordination to promote metastasis.

Abstract Lineage plasticity is a well–established mechanism of resistance to targeted therapies in lung and prostate cancer, where tumors transition from adenocarcinoma to small–cell or neuroendocrine carcinoma. Through single–cell analysis of a cohort of heavily–treated castration–resistant human prostate cancers (CRPC), we report a greater degree of plasticity than previously appreciated, with multiple distinct neuroendocrine (NEPC), mesenchymal (EMT–like), and other subpopulations detected within single biopsies. To explore the steps leading to this plasticity, we turned to two genetically engineered mouse models of prostate cancer that recapitulate progression from adenocarcinoma to neuroendocrine disease. Time course studies reveal expansion of stem–like luminal epithelial cells ( Sca1 +, Psca +, called L2) that, based on trajectories, gave rise to at least 4 distinct subpopulations, NEPC ( Ascl1 +), POU2F3 ( Pou2f3 +), TFF3 ( Tff3 +) and EMT–like ( Vim +, Ncam1 +)––these populations are also seen in human prostate and small cell lung cancers. Transformed L2–like cells express stem–like and gastrointestinal endoderm–like transcriptional programs, indicative of reemerging developmental plasticity programs, as well as elevated Jak/Stat and interferon pathway signaling. In sum, while the magnitude of multilineage heterogeneity, both within and across patients, raises considerable treatment challenges, the identification of highly plastic luminal cells as the likely source of this heterogeneity provides a target for more focused therapeutic intervention. One Sentence Summary Multilineage plasticity results from expansion of stem–like luminal cells with JAK/STAT activation, serving as a therapeutic target.

Abstract The inherent plasticity of tumor cells provides a mechanism of resistance to many molecularly targeted therapies, exemplified by adeno-to-neuroendocrine lineage transitions seen in prostate and lung cancer. Here we investigate the root cause of this lineage plasticity in a primary murine prostate organoid model that mirrors the lineage transition seen in patients. These cells lose luminal identity within weeks following deletion of Trp53 and Rb1 , ultimately acquiring an Ar-negative, Syp+ phenotype after orthotopic in vivo transplantation. Single-cell transcriptomic analysis revealed progressive mixing of luminal-basal lineage features after tumor suppressor gene deletion, accompanied by activation of Jak/Stat and Fgfr pathway signaling and interferon-a and -g gene expression programs prior to any morphologic changes. Genetic or pharmacologic inhibition of Jak1/2 in combination with FGFR blockade restored luminal differentiation and sensitivity to antiandrogen therapy in models with residual AR expression. Collectively, we show lineage plasticity initiates quickly as a largely cell-autonomous process and, through newly developed computational approaches, identify a pharmacological strategy that restores lineage identity using clinical grade inhibitors.

Abstract The response to tumor-initiating inflammatory and genetic insults can vary amongst morphologically indistinguishable cells, suggesting yet uncharacterized roles for epigenetic plasticity during early neoplasia. To investigate the origins and impact of such plasticity, we perform single-cell analyses on normal, inflamed, pre-malignant and malignant tissues in autochthonous models of pancreatic cancer. We reproducibly identify heterogeneous cell-states that are primed for diverse late-emerging neoplastic fates and link these to chromatin remodeling at cell-cell communication loci. Using a new inference approach, we reveal signaling gene modules and tissue-level crosstalk, including a neoplasia-driving feedback loop between discrete epithelial and immune cell populations that we validate by genetic perturbation in mice. Our results uncover a neoplasia-specific tissue remodeling program that may be exploited for pancreas cancer interception. One-Sentence Summary Single-cell analysis reveals that enhanced epigenetic plasticity drives pro-neoplastic crosstalk in early pancreatic cancer.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)—a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single-cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely PSMA , STEAP1 , STEAP2 , TROP2, CEACAM5 , and DLL3 , varied within a subset of gene-regulatory networks (GRNs). We also noted that NEPC and small cell lung cancer subtypes shared a set of GRNs, indicative of conserved biologic pathways that may be exploited therapeutically across tumor types. While this extreme level of transcriptional heterogeneity, particularly in cell surface marker expression, may mitigate the durability of clinical responses to current and future antigen-directed therapies, its delineation may yield signatures for patient selection in clinical trials, potentially across distinct cancer types.

Targeting cell surface molecules using radioligand and antibody-based therapies has yielded considerable success across cancers. However, it remains unclear how the expression of putative lineage markers, particularly cell surface molecules, varies in the process of lineage plasticity, wherein tumor cells alter their identity and acquire new oncogenic properties. A notable example of lineage plasticity is the transformation of prostate adenocarcinoma (PRAD) to neuroendocrine prostate cancer (NEPC)--a growing resistance mechanism that results in the loss of responsiveness to androgen blockade and portends dismal patient survival. To understand how lineage markers vary across the evolution of lineage plasticity in prostate cancer, we applied single cell analyses to 21 human prostate tumor biopsies and two genetically engineered mouse models, together with tissue microarray analysis (TMA) on 131 tumor samples. Not only did we observe a higher degree of phenotypic heterogeneity in castrate-resistant PRAD and NEPC than previously anticipated, but also found that the expression of molecules targeted therapeutically, namely