A better understanding of the features that define the interaction between cancer cells and immune cells is important for the development of new cancer therapies1. However, focus is often given to interactions that occur within the primary tumour and its microenvironment, whereas the role of immune cells during cancer dissemination in patients remains largely uncharacterized2,3. Circulating tumour cells (CTCs) are precursors of metastasis in several types of cancer4–6, and are occasionally found within the bloodstream in association with non-malignant cells such as white blood cells (WBCs)7,8. The identity and function of these CTC-associated WBCs, as well as the molecular features that define the interaction between WBCs and CTCs, are unknown. Here we isolate and characterize individual CTC-associated WBCs, as well as corresponding cancer cells within each CTC–WBC cluster, from patients with breast cancer and from mouse models. We use single-cell RNA sequencing to show that in the majority of these cases, CTCs were associated with neutrophils. When comparing the transcriptome profiles of CTCs associated with neutrophils against those of CTCs alone, we detect a number of differentially expressed genes that outline cell cycle progression, leading to more efficient metastasis formation. Further, we identify cell–cell junction and cytokine–receptor pairs that define CTC–neutrophil clusters, representing key vulnerabilities of the metastatic process. Thus, the association between neutrophils and CTCs drives cell cycle progression within the bloodstream and expands the metastatic potential of CTCs, providing a rationale for targeting this interaction in treatment of breast cancer. The authors show that circulating tumour cells can be found in association with neutrophils, an interaction which supports their proliferation and their ability to seed metastasis.

Immune cells in the tumor microenvironment modulate cancer progression and are attractive therapeutic targets. Macrophages and T cells are key components of the microenvironment, yet their phenotypes and relationships in this ecosystem and to clinical outcomes are ill defined. We used mass cytometry with extensive antibody panels to perform in-depth immune profiling of samples from 73 clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) patients and five healthy controls. In 3.5 million measured cells, we identified 17 tumor-associated macrophage phenotypes, 22 T cell phenotypes, and a distinct immune composition correlated with progression-free survival, thereby presenting an in-depth human atlas of the immune tumor microenvironment in this disease. This study revealed potential biomarkers and targets for immunotherapy development and validated tools that can be used for immune profiling of other tumor types.

Summary

 The ability of circulating tumor cells (CTCs) to form clusters has been linked to increased metastatic potential. Yet biological features and vulnerabilities of CTC clusters remain largely unknown. Here, we profile the DNA methylation landscape of single CTCs and CTC clusters from breast cancer patients and mouse models on a genome-wide scale. We find that binding sites for stemness- and proliferation-associated transcription factors are specifically hypomethylated in CTC clusters, including binding sites for OCT4, NANOG, SOX2, and SIN3A, paralleling embryonic stem cell biology. Among 2,486 FDA-approved compounds, we identify Na⁺/K⁺ ATPase inhibitors that enable the dissociation of CTC clusters into single cells, leading to DNA methylation remodeling at critical sites and metastasis suppression. Thus, our results link CTC clustering to specific changes in DNA methylation that promote stemness and metastasis and point to cluster-targeting compounds to suppress the spread of cancer.

Key Points The total number of somatic mutations was inversely correlated with survival and risk of leukemic transformation in MPN. The great majority of somatic mutations were already present at MPN diagnosis, and very few new mutations were detected during follow-up.

Hsp70 chaperones assist a large variety of protein folding processes within the entire lifespan of proteins. Central to these activities is the regulation of Hsp70 by DnaJ cochaperones. DnaJ stimulates Hsp70 to hydrolyze ATP, a key step that closes its substrate-binding cavity and thus allows stable binding of substrate. We show that DnaJ stimulates ATP hydrolysis by Escherichia coli Hsp70, DnaK, very efficiently to >1000-fold, but only if present at high (micromolar) concentration. In contrast, the chaperone activity of DnaK in luciferase refolding was maximal at several hundredfold lower concentration of DnaJ. However, DnaJ was capable of maximally stimulating the DnaK ATPase even at this low concentration, provided that protein substrate was present, indicating synergistic action of DnaJ and substrate. Peptide substrates were poorly effective in this synergistic action. DnaJ action required binding of protein substrates to the central hydrophobic pocket of the substrate-binding cavity of DnaK, as evidenced by the reduced ability of DnaJ to stimulate ATP hydrolysis by a DnaK mutant with defects in substrate binding. At high concentrations, DnaJ itself served as substrate for DnaK in a process considered to be unphysiological. Mutant analysis furthermore revealed that DnaJ-mediated stimulation of ATP hydrolysis requires communication between the ATPase and substrate-binding domains of DnaK. This mechanism thus allows DnaJ to tightly couple ATP hydrolysis by DnaK with substrate binding and to avoid jamming of the DnaK chaperone with peptides. It probably is conserved among Hsp70 family members and is proposed to account for their functional diversity.

Genomic imprinting is an epigenetic phenomenon leading to parent-of-origin specific differential expression of maternally and paternally inherited alleles. In plants, genomic imprinting has mainly been observed in the endosperm, an ephemeral triploid tissue derived after fertilization of the diploid central cell with a haploid sperm cell. In an effort to identify novel imprinted genes in Arabidopsis thaliana, we generated deep sequencing RNA profiles of F1 hybrid seeds derived after reciprocal crosses of Arabidopsis Col-0 and Bur-0 accessions. Using polymorphic sites to quantify allele-specific expression levels, we could identify more than 60 genes with potential parent-of-origin specific expression. By analyzing the distribution of DNA methylation and epigenetic marks established by Polycomb group (PcG) proteins using publicly available datasets, we suggest that for maternally expressed genes (MEGs) repression of the paternally inherited alleles largely depends on DNA methylation or PcG-mediated repression, whereas repression of the maternal alleles of paternally expressed genes (PEGs) predominantly depends on PcG proteins. While maternal alleles of MEGs are also targeted by PcG proteins, such targeting does not cause complete repression. Candidate MEGs and PEGs are enriched for cis-proximal transposons, suggesting that transposons might be a driving force for the evolution of imprinted genes in Arabidopsis. In addition, we find that MEGs and PEGs are significantly faster evolving when compared to other genes in the genome. In contrast to the predominant location of mammalian imprinted genes in clusters, cluster formation was only detected for few MEGs and PEGs, suggesting that clustering is not a major requirement for imprinted gene regulation in Arabidopsis.

According to the clonal evolution model, tumour growth is driven by competing subclones in somatically evolving cancer cell populations, which gives rise to genetically heterogeneous tumours. Here we present a comparative targeted deep-sequencing approach combined with a customised statistical algorithm, called deepSNV, for detecting and quantifying subclonal single-nucleotide variants in mixed populations. We show in a rigorous experimental assessment that our approach is capable of detecting variants with frequencies as low as 1/10,000 alleles. In selected genomic loci of the TP53 and VHL genes isolated from matched tumour and normal samples of four renal cell carcinoma patients, we detect 24 variants at allele frequencies ranging from 0.0002 to 0.34. Moreover, we demonstrate how the allele frequencies of known single-nucleotide polymorphisms can be exploited to detect loss of heterozygosity. Our findings demonstrate that genomic diversity is common in renal cell carcinomas and provide quantitative evidence for the clonal evolution model. The detection of subclonal variants in heterogeneous cancer specimens is a challenge due to errors that occur during sequencing. In this study, a statistical algorithm and a sequencing strategy are reported that circumvent this issue and can accurately detect variants at a frequency as low as 1/10,000.

Polycomb group (PcG) proteins are major determinants of gene silencing and epigenetic memory in higher eukaryotes. Here, we systematically mapped the human PcG complexome using a robust affinity purification mass spectrometry approach. Our high-density protein interaction network uncovered a diverse range of PcG complexes. Moreover, our analysis identified PcG interactors linking them to the PcG system, thus providing insight into the molecular function of PcG complexes and mechanisms of recruitment to target genes. We identified two human PRC2 complexes and two PR-DUB deubiquitination complexes, which contain the O-linked N-acetylglucosamine transferase OGT1 and several transcription factors. Finally, genome-wide profiling of PR-DUB components indicated that the human PR-DUB and PRC1 complexes bind distinct sets of target genes, suggesting differential impact on cellular processes in mammals.

Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is a transient, reversible process of cell de-differentiation where cancer cells transit between various stages of an EMT continuum, including epithelial, partial EMT, and mesenchymal cell states. We have employed Tamoxifen-inducible dual recombinase lineage tracing systems combined with live imaging and 5-cell RNA sequencing to track cancer cells undergoing partial or full EMT in the MMTV-PyMT mouse model of metastatic breast cancer. In primary tumors, cancer cells infrequently undergo EMT and mostly transition between epithelial and partial EMT states but rarely reach full EMT. Cells undergoing partial EMT contribute to lung metastasis and chemoresistance, whereas full EMT cells mostly retain a mesenchymal phenotype and fail to colonize the lungs. However, full EMT cancer cells are enriched in recurrent tumors upon chemotherapy. Hence, cancer cells in various stages of the EMT continuum differentially contribute to hallmarks of breast cancer malignancy, such as tumor invasion, metastasis, and chemoresistance.