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 The immune system represents a major barrier to cancer progression, driving the evolution of immunoregulatory interactions between malignant cells and T-cells in the tumor environment. Blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasms (BPDCN), a rare acute leukemia with plasmacytoid dendritic cell (pDC) differentiation, provides a unique opportunity to study these interactions. pDCs are key producers of interferon alpha (IFNA) that play an important role in T-cell activation at the interface between the innate and adaptive immune system. To assess how uncontrolled proliferation of malignant BPDCN cells affects the tumor environment, we catalog immune cell heterogeneity in the bone marrow (BM) of five healthy controls and five BPDCN patients by analyzing 52,803 single-cell transcriptomes, including 18,779 T-cells. We test computational techniques for robust cell type classification and find that T-cells in BPDCN patients consistently upregulate interferon alpha (IFNA) response and downregulate tumor necrosis factor alpha (TNFA) pathways. Integrating transcriptional data with T-cell receptor sequencing via shared barcodes reveals significant T-cell exhaustion in BPDCN that is positively correlated with T-cell clonotype expansion. By highlighting new mechanisms of T-cell exhaustion and immune evasion in BPDCN, our results demonstrate the value of single-cell multiomics to understand immune cell interactions in the tumor environment.