T cell dysfunction is a hallmark of many cancers, but the basis for T cell dysfunction and the mechanisms by which antibody blockade of the inhibitory receptor PD-1 (anti-PD-1) reinvigorates T cells are not fully understood. Here we show that such therapy acts on a specific subpopulation of exhausted CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes (TILs). Dysfunctional CD8+ TILs possess canonical epigenetic and transcriptional features of exhaustion that mirror those seen in chronic viral infection. Exhausted CD8+ TILs include a subpopulation of ‘progenitor exhausted’ cells that retain polyfunctionality, persist long term and differentiate into ‘terminally exhausted’ TILs. Consequently, progenitor exhausted CD8+ TILs are better able to control tumor growth than are terminally exhausted T cells. Progenitor exhausted TILs can respond to anti-PD-1 therapy, but terminally exhausted TILs cannot. Patients with melanoma who have a higher percentage of progenitor exhausted cells experience a longer duration of response to checkpoint-blockade therapy. Thus, approaches to expand the population of progenitor exhausted CD8+ T cells might be an important component of improving the response to checkpoint blockade. Exhausted cytotoxic T lymphocytes (CTLs) express the receptor PD-1 as a key signature. Haining and colleagues show that there are different ‘depths’ of exhaustion with a subset of exhausted CTLs that retain polyfunctionality and are responsive to PD-1 blockade.

Summary

 Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous disease that resides within a complex microenvironment, complicating efforts to understand how different cell types contribute to disease progression. We combined single-cell RNA sequencing and genotyping to profile 38,410 cells from 40 bone marrow aspirates, including 16 AML patients and five healthy donors. We then applied a machine learning classifier to distinguish a spectrum of malignant cell types whose abundances varied between patients and between subclones in the same tumor. Cell type compositions correlated with prototypic genetic lesions, including an association of FLT3-ITD with abundant progenitor-like cells. Primitive AML cells exhibited dysregulated transcriptional programs with co-expression of stemness and myeloid priming genes and had prognostic significance. Differentiated monocyte-like AML cells expressed diverse immunomodulatory genes and suppressed T cell activity in vitro. In conclusion, we provide single-cell technologies and an atlas of AML cell states, regulators, and markers with implications for precision medicine and immune therapies. 

Video Abstract

Summary

 Proinflammatory stimuli elicit rapid transcriptional responses via transduced signals to master regulatory transcription factors. To explore the role of chromatin-dependent signal transduction in the atherogenic inflammatory response, we characterized the dynamics, structure, and function of regulatory elements in the activated endothelial cell epigenome. Stimulation with tumor necrosis factor alpha prompted a dramatic and rapid global redistribution of chromatin activators to massive de novo clustered enhancer domains. Inflammatory super enhancers formed by nuclear factor-kappa B accumulate at the expense of immediately decommissioned, basal endothelial super enhancers, despite persistent histone hyperacetylation. Mass action of enhancer factor redistribution causes momentous swings in transcriptional initiation and elongation. A chemical genetic approach reveals a requirement for BET bromodomains in communicating enhancer remodeling to RNA Polymerase II and orchestrating the transition to the inflammatory cell state, demonstrated in activated endothelium and macrophages. BET bromodomain inhibition abrogates super enhancer-mediated inflammatory transcription, atherogenic endothelial responses, and atherosclerosis in vivo.

Most patients with cancer either do not respond to immune checkpoint blockade or develop resistance to it, often because of acquired mutations that impair antigen presentation. Here we show that loss of function of the RNA-editing enzyme ADAR1 in tumour cells profoundly sensitizes tumours to immunotherapy and overcomes resistance to checkpoint blockade. In the absence of ADAR1, A-to-I editing of interferon-inducible RNA species is reduced, leading to double-stranded RNA ligand sensing by PKR and MDA5; this results in growth inhibition and tumour inflammation, respectively. Loss of ADAR1 overcomes resistance to PD-1 checkpoint blockade caused by inactivation of antigen presentation by tumour cells. Thus, effective anti-tumour immunity is constrained by inhibitory checkpoints such as ADAR1 that limit the sensing of innate ligands. The induction of sufficient inflammation in tumours that are sensitized to interferon can bypass the therapeutic requirement for CD8+ T cell recognition of cancer cells and may provide a general strategy to overcome immunotherapy resistance. Deletion of the A-to-I double-stranded RNA-editing enzyme ADAR1 sensitizes tumour cells to immunotherapy.

IL-17A (IL-17) is the signature cytokine produced by Th17 cells and has been implicated in host defense against infection and the pathophysiology of autoimmunity and cardiovascular disease. Little is known, however, about the influence of IL-17 on endothelial activation and leukocyte influx to sites of inflammation. We hypothesized that IL-17 would induce a distinct pattern of endothelial activation and leukocyte recruitment when compared with the Th1 cytokine IFN-γ. We found that IL-17 alone had minimal activating effects on cultured endothelium, whereas the combination of TNF-α and IL-17 produced a synergistic increase in the expression of both P-selectin and E-selectin. Using intravital microscopy of the mouse cremaster muscle, we found that TNF-α and IL-17 also led to a synergistic increase in E-selectin-dependent leukocyte rolling on microvascular endothelium in vivo. In addition, TNF-α and IL-17 enhanced endothelial expression of the neutrophilic chemokines CXCL1, CXCL2, and CXCL5 and led to a functional increase in leukocyte transmigration in vivo and CXCR2-dependent neutrophil but not T cell transmigration in a parallel-plate flow chamber system. By contrast, endothelial activation with TNF-α and IFN-γ preferentially induced the expression of the integrin ligands ICAM-1 and VCAM-1, as well as the T cell chemokines CXCL9, CXCL10, and CCL5. These effects were further associated with a functional increase in T cell but not neutrophil transmigration under laminar shear flow. Overall, these data show that IL-17 and TNF-α act in a synergistic manner to induce a distinct pattern of endothelial activation that sustains and enhances neutrophil influx to sites of inflammation.

Epigenetic dysregulation is a defining feature of tumorigenesis that is implicated in immune escape1,2. Here, to identify factors that modulate the immune sensitivity of cancer cells, we performed in vivo CRISPR–Cas9 screens targeting 936 chromatin regulators in mouse tumour models treated with immune checkpoint blockade. We identified the H3K9 methyltransferase SETDB1 and other members of the HUSH and KAP1 complexes as mediators of immune escape3–5. We also found that amplification of SETDB1 (1q21.3) in human tumours is associated with immune exclusion and resistance to immune checkpoint blockade. SETDB1 represses broad domains, primarily within the open genome compartment. These domains are enriched for transposable elements (TEs) and immune clusters associated with segmental duplication events, a central mechanism of genome evolution6. SETDB1 loss derepresses latent TE-derived regulatory elements, immunostimulatory genes, and TE-encoded retroviral antigens in these regions, and triggers TE-specific cytotoxic T cell responses in vivo. Our study establishes SETDB1 as an epigenetic checkpoint that suppresses tumour-intrinsic immunogenicity, and thus represents a candidate target for immunotherapy. A CRISPR–Cas9 screen of chromatin regulators in mouse tumour models treated with immune checkpoint blockade identifies SETDB1 as an epigenetic checkpoint protein that suppresses tumour-intrinsic immunogenicity.

Tumours most often arise from progression of precursor clones within a single anatomical niche. In the bone marrow, clonal progenitors can undergo malignant transformation to acute leukaemia, or differentiate into immune cells that contribute to disease pathology in peripheral tissues1-4. Outside the marrow, these clones are potentially exposed to a variety of tissue-specific mutational processes, although the consequences of this are unclear. Here we investigate the development of blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasm (BPDCN)-an unusual form of acute leukaemia that often presents with malignant cells isolated to the skin5. Using tumour phylogenomics and single-cell transcriptomics with genotyping, we find that BPDCN arises from clonal (premalignant) haematopoietic precursors in the bone marrow. We observe that BPDCN skin tumours first develop at sun-exposed anatomical sites and are distinguished by clonally expanded mutations induced by ultraviolet (UV) radiation. A reconstruction of tumour phylogenies reveals that UV damage can precede the acquisition of alterations associated with malignant transformation, implicating sun exposure of plasmacytoid dendritic cells or committed precursors during BPDCN pathogenesis. Functionally, we find that loss-of-function mutations in Tet2, the most common premalignant alteration in BPDCN, confer resistance to UV-induced cell death in plasmacytoid, but not conventional, dendritic cells, suggesting a context-dependent tumour-suppressive role for TET2. These findings demonstrate how tissue-specific environmental exposures at distant anatomical sites can shape the evolution of premalignant clones to disseminated cancer.

Abstract Reconstructing lineage relationships in complex tissues can reveal mechanisms underlying development and disease. Recent methods combine single-cell transcriptomics with mitochondrial DNA variant detection to establish lineage relationships in primary human cells, but are not scalable to interrogate complex tissues. To overcome this limitation, here we develop a technology for high-confidence detection of mitochondrial mutations from high-throughput single-cell RNA-sequencing. We use the new method to identify skewed immune cell expansions in primary human clonal hematopoiesis.

ABSTRACT Blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasm (BPDCN) is an aggressive leukemia of plasmacytoid dendritic cells (pDCs). BPDCN occurs at least three times more frequently in men than women, but the reasons for this sex bias are unknown. Here, studying genomics of primary BPDCN and modeling disease-associated mutations, we link acquired alterations in RNA splicing to abnormal pDC development and inflammatory response through Toll-like receptors. Loss-of-function mutations in ZRSR2, an X chromosome gene encoding a splicing factor, are enriched in BPDCN and nearly all mutations occur in males. ZRSR2 mutation impairs pDC activation and apoptosis after inflammatory stimuli, associated with intron retention and inability to upregulate the transcription factor IRF7. In vivo, BPDCN-associated mutations promote pDC expansion and signatures of decreased activation. These data support a model in which male-biased mutations in hematopoietic progenitors alter pDC function and confer protection from apoptosis, which may impair immunity and predispose to leukemic transformation. STATEMENT OF SIGNIFICANCE Sex bias in cancer is well recognized but the underlying mechanisms are incompletely defined. We connect X chromosome mutations in ZRSR2 to an extremely male-predominant leukemia. Aberrant RNA splicing induced by ZRSR2 mutation impairs dendritic cell inflammatory signaling, interferon production, and apoptosis, revealing a sex- and lineage-related tumor suppressor pathway.

Abstract Plasma proteomic profiles associated with subclinical somatic mutations in blood cells may offer novel insights in downstream clinical consequences. Here, we explore such patterns in clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP), which links to several cancer and non-cancer outcomes, including coronary artery disease. Among 12,911 ancestrally diverse participants (682 with CHIP) from NHLBI TOPMed with blood-based DNA sequencing and 1,148 common proteins measured by SomaScan, we identified 32 unique proteins associated with the most prevalent driver genes ( DNMT3A , TET2 , and ASXL1 ) after multiple testing corrections. These associations showed substantial heterogeneity by driver genes, sex, and race, were enriched for immune response and inflammation pathways, and were moderately replicated in UK Biobank (N=48,922) that used Olink for proteomics measurement. Murine single-cell RNA-sequencing data from aortic arch cells, inclusive of resident hematologic cells, in mice with Tet2 -/- bone marrow and wild-type mice revealed corroborating differential expression of TET2 -associated protein-encoding genes. Lastly, we apply these observations to identify 68 plasma proteins shared between CHIP and coronary artery disease.