Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of metastatic lung cancer was performed using 49 clinical biopsies obtained from 30 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNA-seq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell-state transition, whereas those present at on-therapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap-junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNA-seq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.

Ageing is the single greatest cause of disease and death worldwide, and understanding the associated processes could vastly improve quality of life. Although major categories of ageing damage have been identified—such as altered intercellular communication, loss of proteostasis and eroded mitochondrial function1—these deleterious processes interact with extraordinary complexity within and between organs, and a comprehensive, whole-organism analysis of ageing dynamics has been lacking. Here we performed bulk RNA sequencing of 17 organs and plasma proteomics at 10 ages across the lifespan of Mus musculus, and integrated these findings with data from the accompanying Tabula Muris Senis2—or ‘Mouse Ageing Cell Atlas’—which follows on from the original Tabula Muris3. We reveal linear and nonlinear shifts in gene expression during ageing, with the associated genes clustered in consistent trajectory groups with coherent biological functions—including extracellular matrix regulation, unfolded protein binding, mitochondrial function, and inflammatory and immune response. Notably, these gene sets show similar expression across tissues, differing only in the amplitude and the age of onset of expression. Widespread activation of immune cells is especially pronounced, and is first detectable in white adipose depots during middle age. Single-cell RNA sequencing confirms the accumulation of T cells and B cells in adipose tissue—including plasma cells that express immunoglobulin J—which also accrue concurrently across diverse organs. Finally, we show how gene expression shifts in distinct tissues are highly correlated with corresponding protein levels in plasma, thus potentially contributing to the ageing of the systemic circulation. Together, these data demonstrate a similar yet asynchronous inter- and intra-organ progression of ageing, providing a foundation from which to track systemic sources of declining health at old age. Bulk RNA sequencing of organs and plasma proteomics at different ages across the mouse lifespan is integrated with data from the Tabula Muris Senis, a transcriptomic atlas of ageing mouse tissues, to describe organ-specific changes in gene expression during ageing.

The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

The Tabula Muris Consortium We have created a compendium of single cell transcriptome data from the model organism Mus musculus comprising more than 100,000 cells from 20 organs and tissues. These data represent a new resource for cell biology, revealing gene expression in poorly characterized cell populations and allowing for direct and controlled comparison of gene expression in cell types shared between tissues, such as T-lymphocytes and endothelial cells from distinct anatomical locations. Two distinct technical approaches were used for most tissues: one approach, microfluidic droplet-based 3’-end counting, enabled the survey of thousands of cells at relatively low coverage, while the other, FACS-based full length transcript analysis, enabled characterization of cell types with high sensitivity and coverage. The cumulative data provide the foundation for an atlas of transcriptomic cell biology.

Slowing or reversing biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality. While an increasing number of interventions show promise for rejuvenation, the effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. We performed single-cell RNA-sequencing on 13 organs to reveal cell type specific responses to young or aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, hematopoietic stem cells, hepatocytes, and endothelial cells from multiple tissues appear especially responsive. On the pathway level, young blood invokes novel gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. Intriguingly, we observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it. Altogether, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

Ageing is characterised by cellular senescence, leading to imbalanced tissue maintenance, cell death and compromised organ function. This is first observed in the thymus, the primary lymphoid organ that generates and selects T cells. However, the molecular and cellular mechanisms underpinning these ageing processes remain unclear. Here, we show that mouse ageing leads to less efficient T cell selection, decreased self-antigen representation and increased T cell receptor repertoire diversity. Using a combination of single-cell RNA-seq and lineage-tracing, we find that progenitor cells are the principal targets of ageing, whereas the function of mature thymic epithelial cells is compromised only modestly. Specifically, an early-life precursor cell population, retained in the mouse cortex postnatally, is virtually extinguished at puberty. Concomitantly, a medullary precursor cell quiesces, thereby impairing maintenance of the medullary epithelium. Thus, ageing disrupts thymic progenitor differentiation and impairs the core immunological functions of the thymus.

Aging is the single greatest cause of disease and death worldwide, and so understanding the associated processes could vastly improve quality of life. While the field has identified major categories of aging damage such as altered intercellular communication, loss of proteostasis, and eroded mitochondrial function, these deleterious processes interact with extraordinary complexity within and between organs. Yet, a comprehensive analysis of aging dynamics organism-wide is lacking. Here we performed RNA-sequencing of 17 organs and plasma proteomics at 10 ages across the mouse lifespan. We uncover previously unknown linear and non-linear expression shifts during aging, which cluster in strikingly consistent trajectory groups with coherent biological functions, including extracellular matrix regulation, unfolded protein binding, mitochondrial function, and inflammatory and immune response. Remarkably, these gene sets are expressed similarly across tissues, differing merely in age of onset and amplitude. Especially pronounced is widespread immune cell activation, detectable first in white adipose depots in middle age. Single-cell RNA-sequencing confirms the accumulation of adipose T and B cells, including immunoglobulin J-expressing plasma cells, which also accrue concurrently across diverse organs. Finally, we show how expression shifts in distinct tissues are highly correlated with corresponding protein levels in plasma, thus potentially contributing to aging of the systemic circulation. Together, these data demonstrate a similar yet asynchronous inter- and intra-organ progression of aging, thereby providing a foundation to track systemic sources of declining health at old age.

Metastasis is the leading cause of cancer-related deaths, but metastasis research is challenged by limited access to patient material and a lack of experimental models that appropriately recapitulate tumor heterogeneity. Here, we analyzed single-cell transcriptomes of matched primary tumor and metastasis from patient-derived xenograft models of breast cancer, demonstrating that primary tumor and metastatic cells show profound transcriptional differences across heterogeneous tumors. While primary tumor cells upregulated several metabolic genes, metastatic cells displayed a motility phenotype in micrometastatic lesions and increased stress response signaling during metastatic progression. Additionally, we identified gene signatures that are associated with the metastatic potential and correlated with patient outcomes. Poorly metastatic primary tumors showed increased immune-regulatory control that may prevent metastasis, whereas highly metastatic primary tumors upregulated markers of epithelial-mesenchymal transition (EMT). We found that intra-tumor heterogeneity is dominated by epithelial-mesenchymal plasticity (EMP) which presented as a dynamic continuum with intermediate cell states that were characterized by novel, specific markers. These intermediate EMP markers correlated with worse patient outcomes and could serve as potential new therapeutic targets to block metastatic development.

Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNAseq) of metastatic lung cancer was performed using 44 tumor biopsies obtained longitudinally from 27 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNAseq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell state transition, whereas those present at on-therapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNAseq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.