Abstract Characterizing the transcriptome of individual cells is fundamental to understanding complex biological systems. We describe a droplet-based system that enables 3′ mRNA counting of tens of thousands of single cells per sample. Cell encapsulation, of up to 8 samples at a time, takes place in ∼6 min, with ∼50% cell capture efficiency. To demonstrate the system’s technical performance, we collected transcriptome data from ∼250k single cells across 29 samples. We validated the sensitivity of the system and its ability to detect rare populations using cell lines and synthetic RNAs. We profiled 68k peripheral blood mononuclear cells to demonstrate the system’s ability to characterize large immune populations. Finally, we used sequence variation in the transcriptome data to determine host and donor chimerism at single-cell resolution from bone marrow mononuclear cells isolated from transplant patients.

Understanding mechanisms of late/acquired cancer immunotherapy resistance is critical to improve outcomes; cellular immunotherapy trials offer a means to probe complex tumor-immune interfaces through defined T cell/antigen interactions. We treated two patients with metastatic Merkel cell carcinoma with autologous Merkel cell polyomavirus specific CD8+ T cells and immune-checkpoint inhibitors. In both cases, dramatic remissions were associated with dense infiltration of activated CD8+s into the regressing tumors. However, late relapses developed at 22 and 18 months, respectively. Here we report single cell RNA sequencing identified dynamic transcriptional suppression of the specific HLA genes presenting the targeted viral epitope in the resistant tumor as a consequence of intense CD8-mediated immunologic pressure; this is distinguished from genetic HLA-loss by its reversibility with drugs. Transcriptional suppression of Class I loci may underlie resistance to other immunotherapies, including checkpoint inhibitors, and have implications for the design of improved immunotherapy treatments.

Characterizing the transcriptome of individual cells is fundamental to understanding complex biological systems. We describe a droplet-based system that enables 3′ mRNA counting of up to tens of thousands of single cells per sample. Cell encapsulation in droplets takes place in ~6 minutes, with ~50% cell capture efficiency, up to 8 samples at a time. The speed and efficiency allow the processing of precious samples while minimizing stress to cells. To demonstrate the system′s technical performance and its applications, we collected transcriptome data from ~¼ million single cells across 29 samples. First, we validate the sensitivity of the system and its ability to detect rare populations using cell lines and synthetic RNAs. Then, we profile 68k peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) to demonstrate the system′s ability to characterize large immune populations. Finally, we use sequence variation in the transcriptome data to determine host and donor chimerism at single cell resolution in bone marrow mononuclear cells (BMMCs) of transplant patients. This analysis enables characterization of the complex interplay between donor and host cells and monitoring of treatment response. This high-throughput system is robust and enables characterization of diverse biological systems with single cell mRNA analysis.

SUMMARY Interleukin-7 (IL-7) is considered a critical regulator of memory CD8 + T cell homeostasis, but this is primarily based on analysis of circulating and not tissue-resident memory (T RM ) subsets. Furthermore, the cell-intrinsic requirement for IL-7 signaling during memory homeostasis has not been directly tested. Using inducible deletion, we found that Il7ra loss had only a modest effect on persistence of circulating memory and T RM subsets and that IL-7Rα was primarily required for normal basal proliferation. Loss of IL-15 signaling imposed heightened IL-7Rα dependence on memory CD8 + T cells, including T RM populations previously described as IL-15-independent. In the absence of IL-15 signaling, IL-7Rα was upregulated, and loss of IL-7Rα signaling reduced proliferation in response to IL-15, suggesting cross-regulation in memory CD8 + T cells. Thus, across subsets and tissues, IL-7 and IL-15 act in concert to support memory CD8 + T cells, conferring resilience to altered availability of either cytokine. Highlights Tissue-resident and circulating memory CD8 + T cells modestly decline after loss of IL-7Rα IL-7Rα is required for normal self-renewal of memory CD8 + T cells Combined loss of IL-7 and IL-15 causes a profound defect across memory CD8 + T cell subsets Cross-regulation of IL-7 and IL-15 signaling occurs in memory CD8 + T cells Abstract Figure

A bstract Despite recent therapeutic progress, advanced melanoma remains lethal for many patients. The composition of the immune tumor microenvironment (TME) has decisive impacts on therapy response and disease outcome. High dimensional analyses of patient samples can reveal the composition and heterogeneity of the immune TME. In particular, macrophages are known for their cancer-supportive role, but the underlying mechanisms are incompletely understood, and experimental in vivo systems are needed to test the functional properties of these cells. We characterized a humanized mouse model, reconstituted with a human immune system and a human melanoma, in which: (1) human macrophages support metastatic spread of the tumor; and (2) tumor-infiltrating macrophages have a specific transcriptional signature that faithfully represents the transcriptome of macrophages from patient melanoma samples and is associated with shorter survival. This model complements patient sample analyses, enabling the elucidation of fundamental principles in melanoma biology, and the development and evaluation of candidate therapies.