Summary It is critical to understand how quiescent long-term hematopoietic stem cells (LT-HSC) sense demand from daily and stress-mediated cues and transition into bioenergetically active progeny to differentiate and meet these cellular needs. Here, we show that lysosomes, which are sophisticated nutrient sensing and signaling centers, are dichotomously regulated by the Transcription Factor EB (TFEB) and MYC to balance catabolic and anabolic processes required for activating LT-HSC and guiding their lineage fate. TFEB-mediated induction of the endolysosomal pathway causes membrane receptor degradation, limiting LT-HSC metabolic and mitogenic activation, which promotes quiescence, self-renewal and governs erythroid-myeloid commitment. By contrast, MYC engages biosynthetic processes while repressing lysosomal catabolism to drive LT-HSC activation. Collectively, our study identifies lysosomes as a central regulatory hub for proper and coordinated stem cell fate determination.

Abstract Initial classification of acute leukemia involves the assignment of blasts to cell states within the hematopoietic hierarchy based on morphological and immunophenotypic features. Yet, these traditional classification approaches lack precision, especially at the level of immature blasts. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) enables precise determination of cell state using thousands of markers, thus providing an opportunity to re-examine present-day classification schemes of acute leukemia. Here, we developed a detailed reference map of human bone marrow hematopoiesis from 263,519 single-cell transcriptomes spanning 55 cellular states. Cell state annotations were benchmarked against purified cell populations, and in-depth characterization of gene expression programs underlying hematopoietic differentiation was undertaken. Projection of single-cell transcriptomes from 175 samples spanning acute myeloid leukemia (AML), mixed phenotype acute leukemia (MPAL), and acute erythroid leukemia (AEL) revealed 11 subtypes involving distinct stages of hematopoietic differentiation. These included AML subtypes with notable lymphoid or erythroid lineage priming, challenging traditional diagnostic boundaries between AML, MPAL, and AEL. Quantification of lineage priming in bulk patient cohorts revealed specific genetic alterations associated with this unconventional lineage priming. Integration of transcriptional and genetic information at the single-cell level revealed how genetic subclones can induce lineage restriction, differentiation blocks, or expansion of mature myeloid cells. Furthermore, we demonstrate that distinct cellular hierarchies can co-exist within individual patients, providing insight into AML evolution in response to varying selection pressures. Together, precise mapping of hematopoietic cell states can serve as a foundation for refining disease classification in acute leukemia and understanding response or resistance to emerging therapies.

ABSTRACT Sequencing of bulk tumor populations has improved genetic classification and risk assessment of B-ALL, but does not directly examine intratumor heterogeneity or infer leukemia cellular origins. We profiled 89 B-ALL samples by single-cell RNA-seq (scRNA-seq) and compared them to a reference map of normal human B-cell development established using both functional and molecular assays. Intra-sample heterogeneity was driven by cell cycle, metabolism, differentiation, and inflammation transcriptional programs. By inference of B lineage developmental state composition, nearly all samples possessed a high abundance of pro-B cells, with variation between samples mainly driven by sub-populations. However, ZNF384- r and DUX4- r B-ALL showed composition enrichment of hematopoietic stem cells, BCR::ABL1 and KMT2A -r ALL of Early Lymphoid progenitors, MEF2D -r and TCF3::PBX1 of Pre-B cells. Enrichment of Early Lymphoid progenitors correlated with high-risk clinical features. Understanding variation in transcriptional programs and developmental states of B-ALL by scRNA-seq refines existing clinical and genomic classifications and improves prediction of treatment outcome.

Abstract The treatment landscape of AML is evolving with promising therapies entering clinical translation, yet patient responses remain heterogeneous and biomarkers for tailoring treatment are lacking. To understand how disease heterogeneity links with therapy response, we determined the leukemia cell hierarchy make-up from bulk transcriptomes of over 1000 patients through deconvolution using single-cell reference profiles of leukemia stem, progenitor, and mature cell types. Leukemia hierarchy composition was associated with functional, genomic, and clinical properties and converged into four overall classes, spanning Primitive, Mature, GMP, and Intermediate. Critically, variation in hierarchy composition along the Primitive vs GMP or Primitive vs Mature axes were associated with response to chemotherapy or drug sensitivity profiles of targeted therapies, respectively. A 7-gene biomarker derived from the Primitive vs Mature axis was predictive of patient response to 105 investigational drugs. Thus, hierarchy composition constitutes a novel framework for understanding disease biology and advancing precision medicine in AML.

ABSTRACT Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous, aggressive malignancy with dismal prognosis and with limited availability of targeted therapies. AML exhibits epigenetic deregulation and transcriptional plasticity that contributes to pathogenesis. KDM6 proteins are histone-3 lysine-27 demethylases that play major context dependent roles in AML evolution and therapy resistance. Here, we demonstrate that KDM6 demethylase function critically regulates DNA damage repair (DDR) gene expression programs in AML. Mechanistically, KDM6 family protein expression is regulated by genotoxic stress, with deficiency of KDM6A (UTX) and KDM6B (JMJD3) impairing DDR transcriptional activation and compromising repair potential. Acquired KDM6A loss-of-function mutations have been implicated in chemoresistance, although a significant percentage of relapsed AML have upregulated KDM6A. Based on these mechanistic findings, olaparib treatment significantly reduced engraftment of patient-derived xenografts. Thus KDM6A -mutant human primary AML samples have increased susceptibility to Poly-(ADP-ribose)-polymerase (PARP) inhibition in vivo . Crucially, a higher KDM6A expression is correlated with venetoclax tolerance. Loss of KDM6A increased mitochondrial activity, BCL2 expression, and sensitized AML cells to venetoclax. Additionally, KDM6A loss was accompanied with a downregulated BCL2A1, which is commonly associated with venetoclax resistance. Corroborating these results, dual targeting of PARP and BCL2 was superior to PARP or BCL2 inhibitor monotherapy in inducing AML apoptosis, and primary AML cells carrying acquired KDM6A -domain mutations were even more sensitive to the combination. Together, our study illustrates a mechanistic rationale in support for a novel combination targeted therapy for human AML based on subtype heterogeneity, and establishes KDM6A as an important molecular regulator for determining therapeutic efficacy.

Clonal hematopoiesis (CH) arises when hematopoietic stem cells (HSCs) acquire mutations, most frequently in the DNMT3A and TET2 genes, conferring a competitive advantage through mechanisms that remain unclear. To gain insight into how CH mutations enable gradual clonal expansion, we used single-cell multi-omics with high-fidelity genotyping on human CH bone marrow (BM) samples. Most of the selective advantage of mutant cells occurs within HSCs. DNMT3A- and TET2-mutant clones expand further in early progenitors, while TET2 mutations accelerate myeloid maturation in a dose-dependent manner. Unexpectedly, both mutant and non-mutant HSCs from CH samples are enriched for inflammatory and aging transcriptomic signatures, compared with HSCs from non-CH samples, revealing a non-cell-autonomous effect. However, DNMT3A- and TET2-mutant HSCs have an attenuated inflammatory response relative to wild-type HSCs within the same sample. Our data support a model whereby CH clones are gradually selected because they are resistant to the deleterious impact of inflammation and aging.

Clonal hematopoiesis (CH) arises when hematopoietic stem cells (HSC) acquire mutations in genes, including DNMT3A and TET2, conferring a competitive advantage through a mechanism that remains unclear. To gain insight into how CH mutations enable gradual clonal expansion, we used single-cell multi-omics with high-fidelity genotyping on CH bone marrow samples. Most of the selective advantage of mutant cells occurs within HSCs. DNMT3A and TET2-mutant clones expand further in early progenitors, while TET2 mutations accelerate myeloid maturation in a dose-dependent manner. Unexpectedly, both mutant and non-mutant HSCs from CH samples are enriched for inflammatory and aging transcriptomic signatures, compared to HSC from non-CH samples, revealing a non-cell autonomous mechanism. However, DNMT3A and TET2-mutant HSCs have an attenuated inflammatory response relative to wild-type HSCs within the same sample. Our data support a model whereby CH clones are gradually selected because they are more resistant to the deleterious impact of inflammation and aging.

SUMMARY Gene expression profiling and proteome analysis of normal and malignant hematopoietic stem cells (HSC) point to shared core stemness properties. However, discordance between mRNA and protein signatures underscores an important role for post-transcriptional regulation by miRNAs in governing this critical nexus. Here, we identified miR-130a as a regulator of HSC self-renewal and differentiation. Enforced expression of miR-130a impaired B lymphoid differentiation and expanded long-term HSC. Integration of protein mass spectrometry and chimeric AGO2 eCLIP-seq identified TBL1XR1 as a primary miR-130a target, whose loss of function phenocopied miR-130a overexpression. Moreover, we found that miR-130a is highly expressed in t(8;21) AML where it is critical for maintaining the oncogenic molecular program mediated by AML1-ETO. Our study establishes that identification of the comprehensive miRNA targetome within primary cells enables discovery of novel genes and molecular networks underpinning stemness properties of normal and leukemic cells. HIGHLIGHTS miR-130a is a regulator of HSC self-renewal and lineage commitment TBL1XR1 is a principal target of miR-130a TBL1XR1 loss of function in HSPC phenocopies enforced expression of miR-130a Elevated miR-130a levels maintain the AML1-ETO repressive program in t(8;21) AML

Hematopoietic stem cells (HSC) must persist through a lifetime of infections to ensure life-long blood production, but whether molecular adaptations following inflammatory stress recovery in HSC are linked to aging and clonal hematopoiesis (CH) are unclear. Here, we performed single cell (sc) Multiomics on human HSC isolated from a xenograft inflammation-recovery model. Two transcriptionally and epigenetically distinct HSC subsets expressing canonical HSC programs were identified. Only one showed scATACseq and scRNAseq changes after recovery from TNFα or lipopolysaccharide treatment. This inflammatory memory HSC (HSC-iM) program is enriched in memory T cells and HSC from recovered COVID-19 patients. Importantly, HSC-iM accumulates with age and with CH. Overall, a human HSC subset that retains memory of prior inflammatory stress has implications towards HSC fitness and leukemia transformation.