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 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 leukemia stem cell (LSC) compartment is a complex reservoir fueling disease progression in acute myeloid leukemia (AML). The existence of heterogeneity within this compartment is well documented but prior studies have focused on genetic heterogeneity without being able to address functional heterogeneity. Understanding this heterogeneity is critical for the informed design of therapies targeting LSC, but has been hampered by LSC scarcity and the lack of reliable cell surface markers for viable LSC isolation. To overcome these challenges, we turned to the patient-derived OCI-AML22 cell model. This model includes functionally, transcriptionally and epigenetically characterized LSC broadly representative of LSC found in primary AML samples. Focusing on the pool of LSC, we used an integrated approach combining xenograft assays with single-cell analysis to identify two LSC subtypes with distinct transcriptional, epigenetic and functional properties. These LSC subtypes differed in depth of quiescence, differentiation potential and repopulation capacity and could be isolated based on CD112 expression. A majority of AML patient samples had transcriptional signatures reflective of either LSC subtype, and some even showed coexistence within an individual sample. This work provides a framework for further investigation of the LSC compartment in AML.

A comprehensive catalogue of the mutations that drive tumorigenesis and progression is essential to understanding tumor biology and developing therapies. Protein-coding driver mutations have been well-characterized by large exome-sequencing studies, however many tumors have no mutations in protein-coding driver genes. Non-coding mutations are thought to explain many of these cases, however few non-coding drivers besides TERT promoter are known. To fill this gap, we analyzed 150,000 cis-regulatory regions in 1,844 whole cancer genomes from the ICGC-TCGA PCAWG project. Using our new method, ActiveDriverWGS, we found 41 frequently mutated regulatory elements (FMREs) enriched in non-coding SNVs and indels (FDR<0.05) characterized by aging-associated mutation signatures and frequent structural variants. Most FMREs are distal from genes, reported here for the first time and also recovered by additional driver discovery methods. FMREs were enriched in super-enhancers, H3K27ac enhancer marks of primary tumors and long-range chromatin interactions, suggesting that the mutations drive cancer by distally controlling gene expression through three-dimensional genome organization. In support of this hypothesis, the chromatin interaction network of FMREs and target genes revealed associations of mutations and differential gene expression of known and novel cancer genes (e.g., CNNB1IP1, RCC1), activation of immune response pathways and altered enhancer marks. Thus distal genomic regions may include additional, infrequently mutated drivers that act on target genes via chromatin loops. Our study is an important step towards finding such regulatory regions and deciphering the somatic mutation landscape of the non-coding genome.

Abstract Protein methyltransferase 5 (PRMT5) symmetrically dimethylates arginine residues leading to regulation of transcription and splicing programs. Although PRMT5 has emerged as an attractive oncology target, the molecular determinants of PRMT5 dependency in cancer remain incompletely understood. Our transcriptomic analysis identified PRMT5 regulation of the activating transcription factor 4 (ATF4) pathway in acute myelogenous leukemia (AML). PRMT5 inhibition resulted in the expression of unstable, intron-retaining ATF4 mRNA that is detained in the nucleus. Concurrently, the decrease in the spliced cytoplasmic transcript of ATF4 led to lower levels of ATF4 protein and downregulation of ATF4 target genes. Upon loss of functional PRMT5, cells with low ATF4 displayed increased oxidative stress, growth arrest, and cellular senescence. Interestingly, leukemia cells with EVI1 oncogene overexpression demonstrated dependence on PRMT5 function. EVI1 and ATF4 regulated gene signatures were inversely correlated. We show that EVI1-high AML cells have reduced ATF4 levels, elevated baseline reactive oxygen species and increased sensitivity to PRMT5 inhibition. Thus, EVI1-high cells demonstrate dependence on PRMT5 function and regulation of oxidative stress response. Overall, our findings identify the PRMT5-ATF4 axis to be safeguarding the cellular redox balance that is especially important in high oxidative stress states, such as those that occur with EVI1 overexpression.

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.

Abstract Hematopoietic stem/progenitor cell (HSPC) aging studies have been associated with myeloid skewing, reduced clonal output, and impaired regenerative capacity, but quantitative immunophenotypic and functional analysis across human aging is lacking. Here, we provide a comprehensive phenotypic, transcriptional, and functional dissection of human hematopoiesis across the lifespan. Although primitive HSPC numbers were stable during aging, overall cellularity was reduced, especially for erythroid and lymphoid lineages. Notably, HSPC from aged individuals had superior repopulating frequency than younger counterparts in xenografts; yet aged HSPC displayed epigenetic dysregulation of cell cycle, inflammatory signatures, and a reduced capacity to counteract activation-induced proliferative stress with concomitant accumulation of DNA damage and senescence-like features upon xenotransplantation. This phenotype was recapitulated by enforcing proliferative stress in vivo on cord blood (CB) HSPC. Overall, our work sheds light on dysregulated responses to activation-induced proliferation underlying HSPC aging and establishes CB xenotransplantation-based models as suitable for studying age-associated hematopoietic defects.

Cancer cell survival upon cytotoxic drug exposure leads to changes in cell identity, dictated by the epigenome. Several metabolites serve as substrates or co-factors to chromatin-modifying enzymes, suggesting that metabolic changes can underlie change in cell fate. Here, we show that progression of triple-negative breast cancer (TNBC) to taxane-resistance is characterized by altered methionine metabolism and S-adenosylmethionine (SAM) availability, giving rise to DNA hypomethylation in regions enriched for transposable elements (TE). Compensatory redistribution of H3K27me3 forming Large Organized Chromatin domains of lysine (K) modification (LOCK) prevents expression of TE in taxane-resistant cells. Pharmacological inhibition of EZH2, the H3K27me3 methyltransferase, alleviates TE repression, leading to the accumulation of dsRNA and activation of the interferon viral mimicry-response, specifically inhibiting the growth of taxane-resistant TNBC. Together, our work delineates a role for metabolic adaptations in redefining the epigenome of taxane-resistant TNBC cells and underlies an epigenetic vulnerability toward pharmacological inhibition of EZH2.

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.