Summary

 Diverse genetic, epigenetic, and developmental programs drive glioblastoma, an incurable and poorly understood tumor, but their precise characterization remains challenging. Here, we use an integrative approach spanning single-cell RNA-sequencing of 28 tumors, bulk genetic and expression analysis of 401 specimens from the The Cancer Genome Atlas (TCGA), functional approaches, and single-cell lineage tracing to derive a unified model of cellular states and genetic diversity in glioblastoma. We find that malignant cells in glioblastoma exist in four main cellular states that recapitulate distinct neural cell types, are influenced by the tumor microenvironment, and exhibit plasticity. The relative frequency of cells in each state varies between glioblastoma samples and is influenced by copy number amplifications of the CDK4, EGFR, and PDGFRA loci and by mutations in the NF1 locus, which each favor a defined state. Our work provides a blueprint for glioblastoma, integrating the malignant cell programs, their plasticity, and their modulation by genetic drivers.

Tyrosine kinase 2 (Tyk2) is a nonreceptor tyrosine kinase that belongs to the Janus kinase (Jak) family. Here we identified a homozygous Tyk2 mutation in a patient who had been clinically diagnosed with hyper-IgE syndrome. This patient showed unusual susceptibility to various microorganisms including virus, fungi, and mycobacteria and suffered from atopic dermatitis with elevated serum IgE. The patient's cells displayed defects in multiple cytokine signaling pathways including those for type I interferon (IFN), interleukin (IL)-6, IL-10, IL-12, and IL-23. The cytokine signals were successfully restored by transducing the intact Tyk2 gene. Thus, the Tyk2 deficiency is likely to account for the patient's complex clinical manifestations, including the phenotype of impaired T helper 1 (Th1) differentiation and accelerated Th2 differentiation. This study identifies human Tyk2 deficiency and demonstrates that Tyk2 plays obligatory roles in multiple cytokine signals involved in innate and acquired immunity of humans, which differs substantially from Tyk2 function in mice.

Autosomal recessive interleukin-1 receptor-associated kinase (IRAK)-4 and myeloid differentiation factor (MyD)88 deficiencies impair Toll-like receptor (TLR)- and interleukin-1 receptor-mediated immunity. We documented the clinical features and outcome of 48 patients with IRAK-4 deficiency and 12 patients with MyD88 deficiency, from 37 kindreds in 15 countries. The clinical features of IRAK-4 and MyD88 deficiency were indistinguishable. There were no severe viral, parasitic, and fungal diseases, and the range of bacterial infections was narrow. Noninvasive bacterial infections occurred in 52 patients, with a high incidence of infections of the upper respiratory tract and the skin, mostly caused by Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus, respectively. The leading threat was invasive pneumococcal disease, documented in 41 patients (68%) and causing 72 documented invasive infections (52.2%). P. aeruginosa and Staph. aureus documented invasive infections also occurred (16.7% and 16%, respectively, in 13 and 13 patients, respectively). Systemic signs of inflammation were usually weak or delayed. The first invasive infection occurred before the age of 2 years in 53 (88.3%) and in the neonatal period in 19 (32.7%) patients. Multiple or recurrent invasive infections were observed in most survivors (n = 36/50, 72%). Clinical outcome was poor, with 24 deaths, in 10 cases during the first invasive episode and in 16 cases of invasive pneumococcal disease. However, no death and invasive infectious disease were reported in patients after the age of 8 years and 14 years, respectively. Antibiotic prophylaxis (n = 34), antipneumococcal vaccination (n = 31), and/or IgG infusion (n = 19), when instituted, had a beneficial impact on patients until the teenage years, with no seemingly detectable impact thereafter. IRAK-4 and MyD88 deficiencies predispose patients to recurrent life-threatening bacterial diseases, such as invasive pneumococcal disease in particular, in infancy and early childhood, with weak signs of inflammation. Patients and families should be informed of the risk of developing life-threatening infections; empiric antibacterial treatment and immediate medical consultation are strongly recommended in cases of suspected infection or moderate fever. Prophylactic measures in childhood are beneficial, until spontaneous improvement occurs in adolescence. Abbreviations: CRP = C-reactive protein, ELISA = enzyme-linked immunosorbent assay, IFN = interferon, IKBA = IκBα, IL = interleukin, IL-1R = interleukin-1 receptor, InvBD = invasive bacterial disease, IRAK = interleukin-1 receptor-associated kinase, MyD = myeloid differentiation factor, NEMO = nuclear factor-kappaB essential modulator, NInvBD = noninvasive bacterial disease, TIR = Toll/IL-1R, TLR = Toll-like receptor, TNF = tumor necrosis factor.

Summary

 The mesenchymal subtype of glioblastoma is thought to be determined by both cancer cell-intrinsic alterations and extrinsic cellular interactions, but remains poorly understood. Here, we dissect glioblastoma-to-microenvironment interactions by single-cell RNA sequencing analysis of human tumors and model systems, combined with functional experiments. We demonstrate that macrophages induce a transition of glioblastoma cells into mesenchymal-like (MES-like) states. This effect is mediated, both in vitro and in vivo, by macrophage-derived oncostatin M (OSM) that interacts with its receptors (OSMR or LIFR) in complex with GP130 on glioblastoma cells and activates STAT3. We show that MES-like glioblastoma states are also associated with increased expression of a mesenchymal program in macrophages and with increased cytotoxicity of T cells, highlighting extensive alterations of the immune microenvironment with potential therapeutic implications.

Abstract Each tumor contains malignant cells that differ in genotype, phenotype, and in their interactions with the tumor micro-environment (TME). This results in distinct integrated cellular states that govern intra-tumor heterogeneity (ITH), a central challenge of cancer therapeutics. Dozens of recent studies have begun to describe ITH by single cell RNA-seq, but each study typically profiledonly a small number of tumors and provided a narrow view of transcriptional ITH. Here, we curate, annotate and integrate the data from 77 different studies to reveal the patterns of ITH across 1,163 tumor samples covering 24 tumor types. Focusing on the malignant cells, we find thousands of transcriptional ITH programs that can be described by 41 consensus meta-programs (MPs), each consisting of dozens of genes that are coordinately upregulated in subpopulations of cells within many different tumors. The MPs cover diverse cellular processes and differ in their cancer-type distribution. General MPs associated with processes such as cell cycle and stress vary within most tumors, while context-specific MPs reflect the unique biology of particular cancer types, often resembling developmental cell types and suggesting the co-existence of variable differentiation states within tumors. Some of the MPs are further associated with overall tumor proliferation or immune state, highlighting their potential clinical significance. Based on functional similarities among MPs, we propose a set of 11 hallmarks that together account for the majority of observed ITH programs. Given the breadth and scope of the investigated cohort, the MPs and hallmarks described here reflect the first comprehensive pan-cancer description of transcriptional ITH.

Summary The broad application of single-cell RNA sequencing has revealed transcriptional cell state heterogeneity across diverse healthy and malignant somatic tissues. Recent advances in lineage tracing technologies have further enabled the simultaneous capture of cell transcriptional state along with cellular ancestry thus enabling the study of somatic evolution at an unprecedented resolution; however, new analytical approaches are needed to fully harness these data. Here we introduce PATH (Phylogenetic Analysis of Transcriptional Heritability), an analytical framework, which draws upon classic approaches in species evolution, to quantify heritability and plasticity of somatic phenotypes, including transcriptional states. The PATH framework further allows for the inference of cell state transition dynamics by linking a model of cellular evolutionary dynamics with our measure of heritability versus plasticity. We evaluate the robustness of this approach by testing a range of biological and technical features in simulations of somatic evolution. We then apply PATH to characterize previously published and newly generated single-cell phylogenies, reconstructed from either native or artificial lineage markers, with matching cellular state profiling. PATH recovered developmental relationships in mouse embryogenesis, and revealed how anatomic proximity influences neural relatedness in the developing zebrafish brain. In cancer, PATH dissected the heritability of the epithelial-to-mesenchymal transition in a mouse model of pancreatic cancer, and the heritability versus plasticity of transcriptionally-defined cell states in human glioblastoma. Finally, PATH revealed phenotypic heritability patterns in a phylogeny reconstructed from single-cell whole genome sequencing of a B-cell acute lymphoblastic leukemia patient sample. Altogether, by bringing together perspectives from evolutionary biology and emerging single-cell technologies, PATH formally connects the analysis of cell state diversity and somatic evolution, providing quantification of critical aspects of these processes and replacing qualitative conceptions of “plasticity” with quantitative measures of cell state transitions and heritability.

Summary The limited efficacy of immunotherapies against glioblastoma illustrates the urgent need to better understand the interactions between the central nervous system and the immune system. Here, we showed that a protective response to αCTLA-4 therapy depended on a mutualistic relationship between microglia and CD4 + T cells. Suppression of gliomas by CD4 + T cells did not require tumor-intrinsic MHC-II expression, but rather was dependent on the selective expression of MHC-II and antigen presentation by local microglia that in turn, sustained CD4 + T cell tumoricidal effector functions. CD4 + T cell secretion of IFNγ made the glioma cells vulnerable to enhanced tumor surveillance and phagocytosis by microglia via the AXL/MER tyrosine kinase receptors that were necessary for tumor suppression. This work illustrates a novel partnership between CD4 + T cells and microglia that unleashes the tumoricidal properties of microglia that can be harnessed to improve immunotherapies for glioblastoma.

Abstract Cysteine-focused chemical proteomic platforms have accelerated the clinical development of covalent inhibitors of a wide-range of targets in cancer. However, how different oncogenic contexts influence cysteine targeting remains unknown. To address this question, we have developed DrugMap , an atlas of cysteine ligandability compiled across 416 cancer cell lines. We unexpectedly find that cysteine ligandability varies across cancer cell lines, and we attribute this to differences in cellular redox states, protein conformational changes, and genetic mutations. Leveraging these findings, we identify actionable cysteines in NFκB1 and SOX10 and develop corresponding covalent ligands that block the activity of these transcription factors. We demonstrate that the NFκB1 probe blocks DNA binding, whereas the SOX10 ligand increases SOX10-SOX10 interactions and disrupts melanoma transcriptional signaling. Our findings reveal heterogeneity in cysteine ligandability across cancers, pinpoint cell-intrinsic features driving cysteine targeting, and illustrate the use of covalent probes to disrupt oncogenic transcription factor activity.