Abstract Cell type identification is essential for single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) studies, currently transforming the life sciences. CHETAH (CHaracterization of cEll Types Aided by Hierarchical classification) is an accurate cell type identification algorithm that is rapid and selective, including the possibility of intermediate or unassigned categories. Evidence for assignment is based on a classification tree of previously available scRNA-seq reference data and includes a confidence score based on the variance in gene expression per cell type. For cell types represented in the reference data, CHETAH’s accuracy is as good as existing methods. Its specificity is superior when cells of an unknown type are encountered, such as malignant cells in tumor samples which it pinpoints as intermediate or unassigned. Although designed for tumor samples in particular, the use of unassigned and intermediate types is also valuable in other exploratory studies. This is exemplified in pancreas datasets where CHETAH highlights cell populations not well represented in the reference dataset, including cells with profiles that lie on a continuum between that of acinar and ductal cell types. Having the possibility of unassigned and intermediate cell types is pivotal for preventing misclassification and can yield important biological information for previously unexplored tissues.

Abstract Kidney tumours are among the most common solid tumours in children, comprising distinct subtypes differing in many aspects, including cell-of-origin, genetics, and pathology. Pre-clinical cell models capturing the disease heterogeneity are currently lacking. Here, we describe the first paediatric cancer organoid biobank. It contains tumour and matching normal kidney organoids from over 50 children with different subtypes of kidney cancer, including Wilms tumours, malignant rhabdoid tumours, renal cell carcinomas, and congenital mesoblastic nephromas. Paediatric kidney tumour organoids retain key properties of native tumours, useful for revealing patient-specific drug sensitivities. Using single cell RNA-sequencing and high resolution 3D imaging, we further demonstrate that organoid cultures derived from Wilms tumours consist of multiple different cell types, including epithelial, stromal and blastemal-like cells. Our organoid biobank captures the heterogeneity of paediatric kidney tumours, providing a representative collection of well-characterised models for basic cancer research, drug-screening and personalised medicine.

Summary

 High-risk forms of B-acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) remain a therapeutic challenge. Leukemia-initiating cells (LICs) self-renew and spark relapse and therefore have been the subject of intensive investigation; however, the properties of LICs in high-risk B-ALL are not well understood. Here, we use single-cell transcriptomics and quantitative xenotransplantation to understand LICs in MLL-rearranged (MLL-r) B-ALL. Compared with reported LIC frequencies in acute myeloid leukemia (AML), engraftable LICs in MLL-r B-ALL are abundant. Although we find that multipotent, self-renewing LICs are enriched among phenotypically undifferentiated B-ALL cells, LICs with the capacity to replenish the leukemic cellular diversity can emerge from more mature fractions. While inhibiting oxidative phosphorylation blunts blast proliferation, this intervention promotes LIC emergence. Conversely, inhibiting hypoxia and glycolysis impairs MLL-r B-ALL LICs, providing a therapeutic benefit in xenotransplantation systems. These findings provide insight into the aggressive nature of MLL-r B-ALL and provide a rationale for therapeutic targeting of hypoxia and glycolysis.

Abstract Neuroblastoma is an embryonal childhood cancer that arises from aberrant development of the neural crest, mostly within the fetal adrenal medulla. It is not established what developmental processes neuroblastoma cancer cells represent. Here, we sought to reveal the phenotype of neuroblastoma cancer cells by comparing cancer (n=16,591) with fetal adrenal single cell transcriptomes (n=57,972). Our principal finding was that the neuroblastoma cancer cell resembled fetal sympathoblasts, but no other fetal adrenal cell type. The sympathoblastic state was a universal feature of neuroblastoma cells, transcending cell cluster diversity, individual patients and clinical phenotypes. We substantiated our findings in 652 neuroblastoma bulk transcriptomes and by integrating canonical features of the neuroblastoma genome with transcriptional signals. Overall, our observations indicate that there exists a pan-neuroblastoma cancer cell state which may be an attractive target for novel therapeutic avenues.

Abstract The cellular transcriptome may provide clues into the differentiation state and origin of human cancer, as tumor cells may retain patterns of gene expression similar to the cell they derive from. Here, we studied the differentiation state and cellular origin of human kidney tumors, by assessing mRNA signals in 1,300 childhood and adult renal tumors, spanning seven different tumor types. Using single cell mRNA reference maps of normal tissues generated by the Human Cell Atlas project, we measured the abundance of reference “cellular signals” in each tumor. Quantifying global differentiation states, we found that, irrespective of tumor type, childhood tumors exhibited fetal cellular signals, thus replacing the long-held presumption of “fetalness” with a precise, quantitative readout of immaturity. By contrast, in adult cancers our assessment refuted the suggestion of dedifferentiation towards a fetal state in the overwhelming majority of cases, with the exception of lethal variants of clear cell renal cell carcinoma. Examining the specific cellular phenotype of each tumor type revealed an intimate connection between the different mesenchymal populations of the developing kidney and childhood renal tumors, whereas adult tumors mostly represented specific mature tubular cell types. RNA signals of each tumor type were remarkably uniform and specific, indicating a possible therapeutic and diagnostic utility. We demonstrated this utility with a case study of a cryptic renal tumor. Whilst not classifiable by clinical pathological work-up, mRNA signals revealed the diagnosis. Our findings provide a cellular definition of human renal tumors through an approach that is broadly applicable to human cancer.

ABSTRACT Pediatric patients with high-risk neuroblastoma have poor survival rates and urgently need more effective treatment options with less side effects. As novel and improved immunotherapies may fill this need, we dissected the immunoregulatory interactions in neuroblastoma by single-cell RNA-sequencing of 25 tumors (10 pre- and 15 post-chemotherapy, including 5 pairs) to identify strategies for optimizing immunotherapy efficacy. Neuroblastomas were infiltrated by NK, T and B cells, and immunosuppressive myeloid populations. NK cells showed reduced cytotoxicity and T cells had a dysfunctional profile. Interaction analysis revealed a vast immunoregulatory network and identified NECTIN2-TIGIT as a crucial immune checkpoint. Combined blockade of TIGIT and PD-L1 significantly reduced neuroblastoma growth, with complete responses in vivo . Moreover, addition of TIGIT blockade to standard relapse treatment in a chemotherapy-resistant Th - ALK F1174L / MYCN 129/SvJ syngeneic model significantly improved survival. Concluding, our integrative analysis of neuroblastoma’s vast immunoregulatory network provides novel targets and a rationale for immunotherapeutic combination strategies.

SUMMARY Hepatoblastoma, the most prevalent pediatric liver cancer, almost always carries a WNT-activating CTNNB1 mutation, yet exhibits notable molecular heterogeneity. To characterize this heterogeneity and identify novel targeted therapies, we performed comprehensive analysis of hepatoblastomas and tumor-derived organoids using single-cell RNA-seq, spatial transcriptomics, single-cell ATAC-seq and high throughput drug profiling. We identified two distinct tumor epithelial signatures: hepatic ‘fetal-like’ and WNT-high ‘embryonal-like’ signatures, displaying divergent WNT signaling patterns. The liver-specific WNT targets were enriched in the fetal-like group, while the embryonal-like group was enriched in canonical WNT target genes. Gene regulatory network analysis revealed enrichment of regulons related to hepatic function such as bile acid, lipid and xenobiotic metabolism in the fetal-like subgroup but not in the embryonal-like subgroup. In addition, the dichotomous expression pattern of the transcription factors HNF4A and LEF1 allowed for a clear distinction between the fetal- and embryonal-like tumors. We also performed high-throughput drug screening using patient-derived tumor organoids and identified sensitivity to multiple inhibitor classes, most notably HDAC inhibitors. Intriguingly, embryonal-like tumor organoids, but not fetal-like tumor organoids, were sensitive to FGFR inhibitor treatments, suggesting a dependency on FGFR signaling. In summary, our data uncover the molecular and drug sensitivity landscapes of hepatoblastoma and pave the way for the development of targeted therapies.