Summary Monocytes and monocyte-derived macrophages (MDM) from blood circulation infiltrate and promote glioblastoma growth. Here we discover that glioma cells induce the expression of potent pro-inflammatory cytokine IL-1β in MDM, which engages IL-1R1 in glioma cells, activates NF-κB pathway, and subsequently leads to the induction of monocyte chemoattractant proteins (MCPs). Thus, a feedforward paracrine circuit of IL-1β/IL-1R1 between the tumors and MDM creates an interdependence driving glioblastoma progression. Locally antagonizing IL-1β/IL-1R1 leads to reduced MDM infiltration, diminished tumor growth, reduced exhausted CD8 + T cells, and thereby extends the survival of tumor-bearing mice. In contrast to IL-1β, IL-1a exhibits anti-tumor effects. Genetic deletion of Il1a is associated with decreased recruitment of lymphoid cells and loss of interferon (IFN) signaling in various immune populations and subsets of malignant cells. IL-1β antagonism of IL-1β should be considered as an effective anti-glioblastoma therapy. Graphical Abstract

Abstract TP53 is the most frequently mutated gene across many cancers and is associated with shorter survival in non-small cell lung cancer (NSCLC). To understand how TP53 -mutant ( TP53 mut ) malignant cells interact with the tumor microenvironment (TME) at a molecular, cellular, and tissue level, we built a multi-omic cellular and spatial tumor atlas of 23 treatment-naïve NSCLC human tumors. We identified significant differences in malignant expression programs and spatial cell-cell interactions between TP53 mut and TP53 WT tumors and found that highly-entropic TP53 mut malignant cells lose alveolar identity and coincide with an increased abundance of exhausted T cells and immune checkpoint interactions with implications for response to checkpoint blockade. We also identified a multicellular, pro-metastatic, hypoxic tumor niche, where highly-plastic, TP53 mut malignant cells expressing epithelial to mesenchymal transition (EMT) programs associate with SPP1 + myeloid cells and collagen-expressing cancer-associated fibroblasts. Our approach can be further applied to investigate mutation-specific TME changes in other solid tumors.

ABSTRACT Immunotherapies have shown great promise in pleural mesothelioma (PM), yet most patients still do not achieve significant clinical response, highlighting the importance of improving understanding of the tumor microenvironment (TME). Here, we utilized high-throughput, single-cell RNA-sequencing to de novo identify 54 expression programs and construct a comprehensive cellular catalogue of the PM TME. We found four cancer-intrinsic programs associated with poor disease outcome and a novel fetal-like, endothelial cell population that likely responds to VEGF signaling and promotes angiogenesis. Throughout cellular compartments, we observe substantial difference in the TME associated with a cancer-intrinsic sarcomatoid signature, including enrichment in fetal-like endothelial cells, CXCL9+ macrophages, cytotoxic, exhausted, and regulatory T cells, which we validated using imaging and bulk deconvolution analyses on two independent cohorts. Finally, we show, both computationally and experimentally, that NKG2A-HLA-E interaction between NK and tumor cells represents an important new therapeutic axis in PM, especially for epithelioid cases. Statement of Significance This manuscript presents the first single-cell RNA-sequencing atlas of pleural mesothelioma (PM) tumor microenvironment. Findings of translational relevance, validated experimentally and using independent bulk cohorts, include identification of gene programs predictive of survival, a fetal-like endothelial cell population, and NKG2A blockade as a promising new immunotherapeutic intervention in PM.

ABSTRACT Here, we leveraged a large neoadjuvant PD-1 blockade trial in patients with hepatocellular carcinoma (HCC) to search for correlates of response to immune checkpoint blockade (ICB) within T cell-rich tumors. We show that ICB response correlated with the clonal expansion of intratumoral CXCL13 + CH25H + IL-21 + PD-1 + CD4 T helper cells (CXCL13 + Th) and Granzyme K + PD-1 + effector-like CD8 T cells, whereas terminally exhausted CD39 hi TOX hi PD-1 hi CD8 T cells dominated in non-responders. Strikingly, most T cell receptor (TCR) clones that expanded post-treatment were found in pre-treatment biopsies. Notably, PD-1 + TCF-1 + progenitor-like CD8 T cells were present in tumors of responders and non-responders and shared clones mainly with effector-like cells in responders or terminally differentiated cells in non-responders, suggesting that local CD8 T cell differentiation occurs upon ICB. We found that these progenitor CD8 T cells interact with CXCL13 + Th cells within cellular triads around dendritic cells enriched in maturation and regulatory molecules, or “mregDC”. Receptor-ligand analysis revealed unique interactions within these triads that may promote the differentiation of progenitor CD8 T cells into effector-like cells upon ICB. These results suggest that discrete intratumoral niches that include mregDC and CXCL13 + Th cells control the differentiation of tumor-specific progenitor CD8 T cell clones in patients treated with ICB.

The set of proteins required for mitotic division remains poorly characterised. Here, an extensive series of correlation analyses of human and mouse transcriptomics data was performed to identify genes strongly and reproducibly associated with cells undergoing S/G2-M phases of the cell cycle. In so doing, a list of 701 cell cycle-associated genes was defined and shown that whilst many are only expressed during these phases, the expression of others is also driven by alternative promoters. Of this list, 496 genes have known cell cycle functions, whereas 205 were assigned as putative cell cycle genes, 53 of which are functionally uncharacterised. Among these, 27 were screened for subcellular localisation revealing many to be nuclear localised and at least four to be novel centrosomal proteins. Furthermore, 23 others inhibited cell proliferation upon siRNA knockdown. This study presents the first comprehensive list of human cell cycle proteins, identifying many new candidate proteins.

The human airway contains specialized rare epithelial cells whose roles in respiratory disease are not well understood. Ionocytes express the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR), while chemosensory tuft cells express asthma-associated alarmins. However, surprisingly, exceedingly few mature tuft cells have been identified in human lung cell atlases despite the ready identification of rare ionocytes and neuroendocrine cells. To identify human rare cell progenitors and define their lineage relationship to mature tuft cells, we generated a deep lung cell atlas containing 311,748 single cell RNA-Seq (scRNA-seq) profiles from discrete anatomic sites along the large and small airways and lung lobes of explanted donor lungs that could not be used for organ transplantation. Of 154,222 airway epithelial cells, we identified 687 ionocytes (0.45%) that are present in similar proportions in both large and small airways, suggesting that they may contribute to both large and small airways pathologies in CF. In stark contrast, we recovered only 3 mature tuft cells (0.002%). Instead, we identified rare bipotent progenitor cells that can give rise to both ionocytes and tuft cells, which we termed tuft-ionocyte progenitor cells (TIP cells). Remarkably, the cycling fraction of these TIP cells was comparable to that of basal stem cells. We used scRNA-seq and scATAC-seq to predict transcription factors that mark this novel rare cell progenitor population and define intermediate states during TIP cell lineage transitions en route to the differentiation of mature ionocytes and tuft cells. The default lineage of TIP cell descendants is skewed towards ionocytes, explaining the paucity of mature tuft cells in the human airway. However, Type 2 and Type 17 cytokines, associated with asthma and CF, diverted the lineage of TIP cell descendants in vitro , resulting in the differentiation of mature tuft cells at the expense of ionocytes. Consistent with this model of mature tuft cell differentiation, we identify mature tuft cells in a patient who died from an asthma flare. Overall, our findings suggest that the immune signaling pathways active in asthma and CF may skew the composition of disease-relevant rare cells and illustrate how deep atlases are required for identifying physiologically-relevant scarce cell populations.

SUMMARY Myeloid cells comprise the majority of immune cells in tumors, contributing to tumor growth and therapeutic resistance. Incomplete understanding of myeloid cells response to tumor driver mutation and therapeutic intervention impedes effective therapeutic design. Here, by leveraging CRISPR/Cas9-based genomic editing, we generated a mouse model that is deficient of all monocyte chemoattractant proteins (MCP). Using this strain, we effectively abolished monocyte infiltration in glioblastoma (GBM) and hepatocellular carcinoma (HCC) murine models, which were enriched for monocytes or neutrophils, respectively. Remarkably, eliminating monocyte chemoattraction invokes a significant compensatory neutrophil influx in GBM, but not in HCC. Single-cell RNA sequencing revealed that intratumoral neutrophils promoted proneural-to-mesenchymal transition in GBM, and supported tumor aggression by facilitating hypoxia response via TNF production. Importantly, genetic or pharmacological inhibiting neutrophil in HCC or qMCP-KO GBM extended the survival of tumor-bearing mice. Our findings emphasize the importance of targeting both monocytes and neutrophils simultaneously for cancer immunotherapy. In Brief Eliminating monocyte chemoattraction invokes compensatory neutrophil influx in tumor, and vice versa, rendering current myeloid-targeted therapies ineffective. Using genetic and pharmacological approaches combined with novel mouse models of GBM and HCC, we provide credence advocating for combinational therapies aiming at inhibiting both monocytes and neutrophils simultaneously. Highlights • Blocking monocyte chemoattraction results in increased neutrophil infiltration. • Increased neutrophil recruitment induces GBM PN to MES transition. • Inhibiting neutrophil infiltration in monocyte-deficient tumors improves mouse GBM survival. • Blocking neutrophil, but not monocyte, infiltration in HCC prolongs mouse survival.