Defining the transcriptomic identity of malignant cells is challenging in the absence of surface markers that distinguish cancer clones from one another, or from admixed non-neoplastic cells. To address this challenge, here we developed Genotyping of Transcriptomes (GoT), a method to integrate genotyping with high-throughput droplet-based single-cell RNA sequencing. We apply GoT to profile 38,290 CD34+ cells from patients with CALR-mutated myeloproliferative neoplasms to study how somatic mutations corrupt the complex process of human haematopoiesis. High-resolution mapping of malignant versus normal haematopoietic progenitors revealed an increasing fitness advantage with myeloid differentiation of cells with mutated CALR. We identified the unfolded protein response as a predominant outcome of CALR mutations, with a considerable dependency on cell identity, as well as upregulation of the NF-κB pathway specifically in uncommitted stem cells. We further extended the GoT toolkit to genotype multiple targets and loci that are distant from transcript ends. Together, these findings reveal that the transcriptional output of somatic mutations in myeloproliferative neoplasms is dependent on the native cell identity. Profiling of over 38,000 CD34+ cells from patients with CALR-mutated myeloproliferative neoplasms, using the ‘Genotyping of Transcriptomes’ procedure, reveals that the transcriptional output of these mutations depends upon native cell identity.

Abstract Defining the transcriptomic identity of clonally related malignant cells is challenging in the absence of cell surface markers that distinguish cancer clones from one another or from admixed non-neoplastic cells. While single-cell methods have been devised to capture both the transcriptome and genotype, these methods are not compatible with droplet-based single-cell transcriptomics, limiting their throughput. To overcome this limitation, we present single-cell Genotyping of Transcriptomes (GoT), which integrates cDNA genotyping with high-throughput droplet-based single-cell RNA-seq. We further demonstrate that multiplexed GoT can interrogate multiple genotypes for distinguishing subclonal transcriptomic identity. We apply GoT to 26,039 CD34 + cells across six patients with myeloid neoplasms, in which the complex process of hematopoiesis is corrupted by CALR -mutated stem and progenitor cells. We define high-resolution maps of malignant versus normal hematopoietic progenitors, and show that while mutant cells are comingled with wildtype cells throughout the hematopoietic progenitor landscape, their frequency increases with differentiation. We identify the unfolded protein response as a predominant outcome of CALR mutations, with significant cell identity dependency. Furthermore, we identify that CALR mutations lead to NF-κB pathway upregulation specifically in uncommitted early stem cells. Collectively, GoT provides high-throughput linkage of single-cell genotypes with transcriptomes and reveals that the transcriptional output of somatic mutations is heavily dependent on the native cell identity.

ABSTRACT Somatic mutations in cancer genes have been ubiquitously detected in clonal expansions across healthy human tissue, including in clonal hematopoiesis. However, mutated and wildtype cells are morphologically and phenotypically similar, limiting the ability to link genotypes with cellular phenotypes. To overcome this limitation, we leveraged multi-modality single-cell sequencing, capturing the mutation with transcriptomes and methylomes in stem and progenitors from individuals with DNMT3A R882 mutated clonal hematopoiesis. DNMT3A mutations resulted in myeloid over lymphoid bias, and in expansion of immature myeloid progenitors primed toward megakaryocytic-erythroid fate. We observed dysregulated expression of lineage and leukemia stem cell markers. DNMT3A R882 led to preferential hypomethylation of polycomb repressive complex 2 targets and a specific sequence motif. Notably, the hypomethylation motif is enriched in binding motifs of key hematopoietic transcription factors, serving as a potential mechanistic link between DNMT3A R882 mutations and aberrant transcriptional phenotypes. Thus, single-cell multi-omics pave the road to defining the downstream consequences of mutations that drive human clonal mosaicism.

ABSTRACT In normal somatic tissue differentiation, changes in chromatin accessibility govern priming and commitment of precursors towards cellular fates. In turn, somatic mutations can disrupt differentiation topologies leading to abnormal clonal outgrowth. However, defining the impact of somatic mutations on the epigenome in human samples is challenging due to admixed mutated and wildtype cells. To chart how somatic mutations disrupt epigenetic landscapes in human clonal outgrowths, we developed Genotyping of Targeted loci with single-cell Chromatin Accessibility (GoT-ChA). This high-throughput, broadly accessible platform links genotypes to chromatin accessibility at single-cell resolution, across thousands of cells within a single assay. We applied GoT-ChA to CD34 + cells from myeloproliferative neoplasm (MPN) patients with JAK2 V617F -mutated hematopoiesis, where the JAK2 mutation is known to perturb hematopoietic differentiation. Differential accessibility analysis between wildtype and JAK2 V617F mutant progenitors revealed both cell-intrinsic and cell state-specific shifts within mutant hematopoietic precursors. An early subset of mutant hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) exhibited a cell-intrinsic pro-inflammatory signature characterized by increased NF-κB and JUN/FOS transcription factor motif accessibility. In addition, mutant HSPCs showed increased myeloid/erythroid epigenetic priming, preceding increased erythroid and megakaryocytic cellular output. Erythroid progenitors displayed aberrant regulation of the γ-globin locus, providing an intrinsic epigenetic basis for the dysregulated fetal hemoglobin expression observed in MPNs. In contrast, megakaryocytic progenitors exhibited a more specialized inflammatory chromatin landscape relative to early HSPCs, with increased accessibility of pro-fibrotic JUN/FOS transcription factors. Notably, analysis of myelofibrosis patients treated with JAK inhibitors revealed an overall loss of mutant-specific phenotypes without modifying clonal burden, consistent with clinical responses. Finally, expansion of the multi-modality capability of GoT-ChA to integrate mitochondrial genome profiling and cell surface protein expression measurement enabled genotyping imputation and discovery of aberrant cellular phenotypes. Collectively, we show that the JAK2 V617F mutation leads to epigenetic rewiring in a cell-intrinsic and cell type-specific manner. We envision that GoT-ChA will thus serve as a foundation for broad future explorations to uncover the critical link between mutated somatic genotypes and epigenetic alterations across clonal populations in malignant and non-malignant contexts.

ABSTRACT Janus kinases (JAKs) mediate cytokine signaling, cell growth and hematopoietic differentiation. 1 Gain-of-function mutations activating JAK2 signaling are seen in the majority of myeloproliferative neoplasm (MPN) patients, most commonly due to the JAK2 V617F driver allele. 2 While clinically-approved JAK inhibitors improve symptoms and outcomes in MPNs, remissions are rare, and mutant allele burden does not substantively change with chronic JAK inhibitor therapy in most patients. 3, 4 This has been postulated to be due to incomplete dependence on constitutive JAK/STAT signaling, alternative signaling pathways, and/or the presence of cooperating disease alleles; 5 however we hypothesize this is due to the inability of current JAK inhibitors to potently and specifically abrogate mutant JAK2 signaling. We therefore developed a conditionally inducible mouse model allowing for sequential activation, and then inactivation, of Jak2 V617F from its endogenous locus using a Dre- rox /Cre- lox dual orthogonal recombinase system. Deletion of oncogenic Jak2 V617F abrogates the MPN disease phenotype, induces mutant-specific cell loss including in hematopoietic stem/progenitor cells, and extends overall survival to an extent not observed with pharmacologic JAK inhibition. Furthermore, reversal of Jak2 V617F in MPN cells with antecedent loss of Tet2 6, 7 abrogates the MPN phenotype and inhibits mutant stem cell persistence suggesting cooperating epigenetic-modifying alleles do not alter dependence on mutant JAK/STAT signaling. Our results suggest that mutant-specific inhibition of JAK2 V617F represents the best therapeutic approach for JAK2 V617F -mutant MPN and demonstrate the therapeutic relevance of a dual-recombinase system to assess mutant-specific oncogenic dependencies in vivo .

Activation of regulatory elements is thought to be inversely correlated with DNA methylation levels. However, it is difficult to determine whether DNA methylation is compatible with chromatin accessibility or transcription factor (TF) binding if assays are performed separately. We developed a fast, low input, low sequencing depth method, EpiMethylTag that combines ATAC-seq or ChIP-seq (M-ATAC or M-ChIP) with bisulfite conversion, to simultaneously examine accessibility/TF binding and methylation on the same DNA. Here we demonstrate that EpiMethylTag can be used to study the functional interplay between chromatin accessibility and TF binding (CTCF and KLF4) at methylated sites.

Abstract Somatic evolution leads to the emergence of clonal diversity across tissues with broad implications for human health. A striking example of somatic evolution is the VEXAS (Vacuoles E1 enzyme X-linked Autoinflammatory Somatic) syndrome, caused by somatic UBA1 mutations in hematopoietic stem cells (HSCs), inducing treatment-refractory, systemic inflammation. However, the mechanisms that lead to survival and expansion of mutant HSCs are unknown, limiting the development of effective therapies. The lack of animal or cellular models of UBA1 -mutant HSCs has hindered such mechanistic understanding, mandating analysis of primary human VEXAS samples, which harbor admixtures of wild-type and UBA1 -mutant HSCs. To address these challenges, we applied single-cell multi-omics to comprehensively define mutant UBA1 -induced transcriptome, chromatin accessibility and signaling pathway alterations in VEXAS patients, allowing for the direct comparison of mutant versus wild-type cells within the same environment. We confirmed the expected enrichment of UBA1 M41V/T mutations in myeloid cells, and additionally discovered that these mutations were also prevalent in Natural Killer (NK) cells in VEXAS patients, providing new insights into disease phenotypes. Through mapping genotypes to molecular phenotypes, including transcriptome, chromatin accessibility, cell surface protein or intracellular protein profiles, in HSCs, we found that UBA1 M41V/T -mutant cells showed an increased inflammation signature (interferon alpha and gamma response pathways), as well as activation of unfolded protein response (UPR) via pro-survival, but not pro-apoptotic, mediators of the PERK pathway, compared to UBA1 wild-type HSCs. Ex vivo validation experiments showed that inhibiting UBA1 in normal CD34+ or using UBA1 -mutant HSCs led to PERK pathway up-regulation, increased myeloid differentiation and cell survival, which was reversed by PERK inhibition. Thus, we demonstrated that human VEXAS HSCs show cell-intrinsic inflammatory phenotypes and survive the proteomic stress caused by compromised ubiquitination through PERK-mediated activation of the UPR. Together, these analyses nominate PERK pathway inhibition as a potential new therapeutic strategy for eradicating the VEXAS-inducing clone, demonstrating the power of single-cell multi-omics profiling of primary patient sample to enable genotype-to-phenotype somatic mapping for the discovery of novel candidates for clinical intervention.

ABSTRACT Chikungunya virus (CHIKV) infection has been associated with severe cardiac manifestations, yet, how CHIKV infection leads to heart disease remains unknown. Here, we leveraged both mouse models and human primary cells to define the mechanisms of CHIKV heart infection. We found that CHIKV actively replicates in cardiac fibroblasts and is cleared without significant tissue damage through the induction of a local type-I interferon response from both infected and non-infected cardiac cells. Importantly, signaling through the mitochondrial antiviral-signaling protein (MAVS) is required for viral clearance from the heart. In the absence of MAVS, persistent infection leads to focal myocarditis and major vessel vasculitis persisting for up to 60 days post-infection, suggesting CHIKV can lead to vascular inflammation and potential long-lasting cardiovascular complications. This study provides a model of CHIKV cardiac infection and mechanistic insight into CHIKV-induced heart disease, underscoring the importance of monitoring cardiac function in patients with CHIKV infections.