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

Dissecting Diversity Solid tumors are composed of functionally diverse tumor cells. The prevailing view is that this "intratumoral heterogeneity" arises from the accumulation of mutations during tumor growth, resulting in multiple genetically defined subclones of cells that respond in different ways to selective pressures such as chemotherapy. Kreso et al. (p. 543 , published online 13 December; see the Perspective by Marusyk and Polyak ) simultaneously monitored the genetic profiles and growth behavior of human colorectal cancer cells that were serially passaged in mice. Individual tumor cells within a uniform genetic lineage displayed extensive variation in survival, growth dynamics, and response to a chemotherapeutic drug. Thus, additional diversity-generating mechanisms such as epigenetic regulation or microenvironmental variability appear to operate within a genetic clone, endowing a subset of tumor cells with robust survival potential, especially during stress.

The cellular composition of H3K27M gliomas Diffuse midline gliomas with histone H3 lysine27-to-methionine mutations (H3K27M-glioma) are an aggressive type of childhood cancer with few options for treatment. Filbin et al. used a single-cell sequencing approach to study the oncogenic programs, genetics, and cellular hierarchies of H3K27M-glioma. Tumors were mainly composed of cells resembling oligodendrocyte precursor cells, whereas differentiated malignant cells were a smaller fraction. In comparison with other gliomas, these cancers had distinct oncogenic programs and stem cell–like profiles that contributed to their stable tumor-propagating potential. The analysis also identified a lineage-specific marker that may be useful in developing therapies. Science , this issue p. 331

Glioblastoma, the most common and aggressive malignant brain tumor, is propagated by stem-like cancer cells refractory to existing therapies. Understanding the molecular mechanisms that control glioblastoma stem cell (GSC) proliferation and drug resistance may reveal opportunities for therapeutic interventions. Here we show that GSCs can reversibly transition to a slow-cycling, persistent state in response to targeted kinase inhibitors. In this state, GSCs upregulate primitive developmental programs and are dependent upon Notch signaling. This transition is accompanied by widespread redistribution of repressive histone methylation. Accordingly, persister GSCs upregulate, and are dependent on, the histone demethylases KDM6A/B. Slow-cycling cells with high Notch activity and histone demethylase expression are present in primary glioblastomas before treatment, potentially contributing to relapse. Our findings illustrate how cancer cells may hijack aspects of native developmental programs for deranged proliferation, adaptation, and tolerance. They also suggest strategies for eliminating refractory tumor cells by targeting epigenetic and developmental pathways.

The blood system is sustained by a pool of haematopoietic stem cells (HSCs) that are long-lived due to their capacity for self-renewal. A consequence of longevity is exposure to stress stimuli including reactive oxygen species (ROS), nutrient fluctuation and DNA damage. Damage that occurs within stressed HSCs must be tightly controlled to prevent either loss of function or the clonal persistence of oncogenic mutations that increase the risk of leukaemogenesis. Despite the importance of maintaining cell integrity throughout life, how the HSC pool achieves this and how individual HSCs respond to stress remain poorly understood. Many sources of stress cause misfolded protein accumulation in the endoplasmic reticulum (ER), and subsequent activation of the unfolded protein response (UPR) enables the cell to either resolve stress or initiate apoptosis. Here we show that human HSCs are predisposed to apoptosis through strong activation of the PERK branch of the UPR after ER stress, whereas closely related progenitors exhibit an adaptive response leading to their survival. Enhanced ER protein folding by overexpression of the co-chaperone ERDJ4 (also called DNAJB9) increases HSC repopulation capacity in xenograft assays, linking the UPR to HSC function. Because the UPR is a focal point where different sources of stress converge, our study provides a framework for understanding how stress signalling is coordinated within tissue hierarchies and integrated with stemness. Broadly, these findings reveal that the HSC pool maintains clonal integrity by clearance of individual HSCs after stress to prevent propagation of damaged stem cells.

Genetic and functional studies underscore the central role of JAK/STAT signaling in myeloproliferative neoplasms (MPNs). However, the mechanisms that mediate transformation in MPNs are not fully delineated, and clinically utilized JAK inhibitors have limited ability to reduce disease burden or reverse myelofibrosis. Here we show that MPN progenitor cells are characterized by marked alterations in gene regulation through differential enhancer utilization, and identify nuclear factor κB (NF-κB) signaling as a key pathway activated in malignant and non-malignant cells in MPN. Inhibition of BET bromodomain proteins attenuated NF-κB signaling and reduced cytokine production in vivo. Most importantly, combined JAK/BET inhibition resulted in a marked reduction in the serum levels of inflammatory cytokines, reduced disease burden, and reversed bone marrow fibrosis in vivo.

To investigate miRNA function in human acute myeloid leukemia (AML) stem cells (LSC), we generated a prognostic LSC-associated miRNA signature derived from functionally validated subpopulations of AML samples. For one signature miRNA, miR-126, high bioactivity aggregated all in vivo patient sample LSC activity into a single sorted population, tightly coupling miR-126 expression to LSC function. Through functional studies, miR-126 was found to restrain cell cycle progression, prevent differentiation, and increase self-renewal of primary LSC in vivo. Compared with prior results showing miR-126 regulation of normal hematopoietic stem cell (HSC) cycling, these functional stem effects are opposite between LSC and HSC. Combined transcriptome and proteome analysis demonstrates that miR-126 targets the PI3K/AKT/MTOR signaling pathway, preserving LSC quiescence and promoting chemotherapy resistance.

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.