Applying a new, more sensitive single-cell transcriptomics method to diagnosis, remission and progression samples from patients with chronic myeloid leukemia reveals insight into the heterogeneity of cells that resist treatment with targeted therapy, as well as into the dynamics of disease progression and its effects on nontransformed hematopoietic stem cells. Recent advances in single-cell transcriptomics are ideally placed to unravel intratumoral heterogeneity and selective resistance of cancer stem cell (SC) subpopulations to molecularly targeted cancer therapies. However, current single-cell RNA-sequencing approaches lack the sensitivity required to reliably detect somatic mutations. We developed a method that combines high-sensitivity mutation detection with whole-transcriptome analysis of the same single cell. We applied this technique to analyze more than 2,000 SCs from patients with chronic myeloid leukemia (CML) throughout the disease course, revealing heterogeneity of CML-SCs, including the identification of a subgroup of CML-SCs with a distinct molecular signature that selectively persisted during prolonged therapy. Analysis of nonleukemic SCs from patients with CML also provided new insights into cell-extrinsic disruption of hematopoiesis in CML associated with clinical outcome. Furthermore, we used this single-cell approach to identify a blast-crisis-specific SC population, which was also present in a subclone of CML-SCs during the chronic phase in a patient who subsequently developed blast crisis. This approach, which might be broadly applied to any malignancy, illustrates how single-cell analysis can identify subpopulations of therapy-resistant SCs that are not apparent through cell-population analysis.

Summary TP53 is the most commonly mutated gene in human cancer, typically occurring in association with complex cytogenetics and dismal outcomes. Understanding the genetic and non-genetic determinants of TP53- mutation driven clonal evolution and subsequent transformation is a crucial step towards the design of rational therapeutic strategies. Here, we carry out allelic resolution single-cell multi-omic analysis of haematopoietic stem/progenitor cells (HSPC) from patients with a myeloproliferative neoplasm who transform to TP53- mutant secondary acute myeloid leukaemia (AML), a tractable model of TP53 -mutant cancer evolution. All patients showed dominant TP53 ‘ multi-hit’ HSPC clones at transformation, with a leukaemia stem cell transcriptional signature strongly predictive of adverse outcome in independent cohorts, across both TP53- mutant and wild-type AML. Through analysis of serial samples and antecedent TP53 -heterozygous clones, we demonstrate a hitherto unrecognised effect of chronic inflammation, which supressed TP53 wild-type HSPC whilst enhancing the fitness advantage of TP53 mutant cells. Our findings will facilitate the development of risk-stratification, early detection and treatment strategies for TP53 -mutant leukaemia, and are of broader relevance to other cancer types.

Abstract Rare multipotent stem cells replenish millions of blood cells per second through a time-consuming process, passing through multiple stages of increasingly lineage-restricted progenitors. Although insults to the blood-forming system highlight the need for more rapid blood replenishment from stem cells, established models of hematopoiesis implicate only one mandatory differentiation pathway for each blood cell lineage. Here, we establish a nonhierarchical relationship between distinct stem cells that replenish all blood cell lineages and stem cells that replenish almost exclusively platelets, a lineage essential for hemostasis and with important roles in both the innate and adaptive immune systems. These distinct stem cells use cellularly, molecularly and functionally separate pathways for the replenishment of molecularly distinct megakaryocyte-restricted progenitors: a slower steady-state multipotent pathway and a fast-track emergency-activated platelet-restricted pathway. These findings provide a framework for enhancing platelet replenishment in settings in which slow recovery of platelets remains a major clinical challenge.

Abstract Myeloproliferative neoplasms are stem cell-driven cancers associated with a large burden of morbidity and mortality. The majority of patients present with early-stage disease, but a substantial proportion progress to myelofibrosis and/or secondary leukemia, advanced cancers with a poor prognosis and high symptom burden. Currently, it remains difficult to predict progression, and we lack therapies that reliably prevent or reverse fibrosis development. A major bottleneck to the discovery of disease-modifying therapies has been an incomplete understanding of the interplay between perturbed cellular and molecular states. Several cell types have individually been implicated, but a comprehensive analysis of myelofibrotic bone marrow is lacking. We therefore mapped the crosstalk between bone marrow cell types in myelofibrotic bone marrow. We found that inflammation and fibrosis are orchestrated by a ‘quartet’ of immune and stromal cell lineages – with basophils and mast cells creating a TNF signaling hub, communicating with megakaryocytes, mesenchymal stromal cells and pro-inflammatory fibroblasts. We identified the ý-galactoside binding protein galectin 1 as a striking biomarker of progression to myelofibrosis and poor survival in multiple patient cohorts, and as a promising therapeutic target, with reduced myeloproliferation and fibrosis in vitro and in vivo and improved survival following galectin 1 inhibition. In human bone marrow organoids, TNF increased galectin 1 expression, suggesting a feedback loop wherein the pro-inflammatory MPN clone creates a self-reinforcing niche, fueling progression to advanced disease. This study provides a valuable resource for studying hematopoietic cell-niche interactions, with broad relevance for cancer-associated inflammation and disorders of tissue fibrosis.

Abstract Myeloproliferative neoplasms represent a group of clonal hematopoietic disorders of which myelofibrosis (MF) is the most aggressive. In the context of myeloid neoplasms, there is a growing recognition of the dysregulation of immune response and T‐cell function as significant contributors to disease progression and immune evasion. We investigated cytotoxic T‐cell exhaustion in MF to restore immune response against malignant cells. Increased expression of inhibitory receptors like CTLA‐4 was observed on cytotoxic T cells from MF patients together with a reduced secretion of IFNɣ and TNFɑ. CTLA‐4 ligands CD80 and CD86 were increased on MF granulocytes and monocytes highlighting a possible role for myeloid cells in suppressing T‐cell activation in MF patients. Unlike healthy donors, the activation of cytotoxic T cells from MF patients was attenuated in the presence of myeloid cells and restored when T cells were cultured alone or treated with anti‐CTLA‐4. Moreover, anti‐CTLA‐4 treatment promoted elimination of neoplastic monocytes and granulocytes in a co‐culture system with cytotoxic T cells. To test CTLA‐4 inhibition in vivo , patient‐derived xenografts were generated by transplanting MF CD34+ cells and by infusing homologous T cells in NSGS mice. CTLA‐4 blockade reduced human myeloid chimerism and led to T‐cell expansion in spleen and bone marrow. Overall, these findings shed light on T‐cell dysfunction in MF and suggest that CTLA‐4 blockade can boost the cytotoxic T cell‐mediated immune response against tumor cells.

JAK2V617F is the most recurrent genetic mutation in Philadelphia-negative chronic Myeloproliferative Neoplasms (MPNs). Since the JAK2 locus is located on Chromosome 9, we hypothesized that Chromosome 9 copy number abnormalities may be a disease modifier in JAK2V617F-mutant MPN patients. In this study, we identified a subset of MPN patients with partial or complete Chromosome 9 trisomy (+9p patients), who differ from JAK2V617F-homozygous MPN patients as they carry three JAK2 alleles as well as three copies of all neighboring gene loci, including CD274, encoding immunosuppressive Programmed death-ligand 1 (PD-L1) protein. Investigation of the clonal hierarchy revealed that the JAK2V617F occurs first, followed by +9p. Functionally, CD34+ cells from +9p MPN patients demonstrated increased clonogenicity, generating a greater number of primitive colonies, due to high OCT4 and NANOG expression, with knock-down of these genes leading to a genotype-specific decrease in colony numbers. Moreover, our analysis revealed increased PD-L1 surface expression in malignant monocytes from +9p patients, while analysis of the T cell compartment unveiled elevated levels of exhausted cytotoxic T cells. Overall, here we identify a distinct novel subgroup of MPN patients, who feature a synergistic interplay between +9p and JAK2V617F that shapes immune escape characteristics and increased stemness in CD34+ cells.

Generation of mature cells from progenitors requires tight coupling of differentiation and metabolism. During erythropoiesis, erythroblasts are required to massively upregulate globin synthesis then clear extraneous material and enucleate to produce erythrocytes1-3. Nprl3 has remained in synteny with the α-globin genes for >500 million years4, and harbours the majority of the α-globin enhancers5. Nprl3 is a highly conserved inhibitor of mTORC1, which controls cellular metabolism. However, whether Nprl3 itself serves an erythroid role is unknown. Here, we show that Nprl3 is a key regulator of erythroid metabolism. Using Nprl3-deficient fetal liver and adult competitive bone marrow - fetal liver chimeras, we show that NprI3 is required for sufficient erythropoiesis. Loss of Nprl3 elevates mTORC1 signalling, suppresses autophagy and disrupts erythroblast glycolysis and redox control. Human CD34+ progenitors lacking NPRL3 produce fewer enucleated cells and demonstrate dysregulated mTORC1 signalling in response to nutrient availability and erythropoietin. Finally, we show that the α-globin enhancers upregulate NprI3 expression, and that this activity is necessary for optimal erythropoiesis. Therefore, the anciently conserved linkage of NprI3, α-globin and their associated enhancers has enabled coupling of metabolic and developmental control in erythroid cells. This may enable erythropoiesis to adapt to fluctuating nutritional and environmental conditions.