For more than 100 years, the fruit fly

Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth and expansion to neighboring and distal tissues. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53(KP)-driven lung adenocarcinoma and tracked tumor evolution from single-transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that the loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by a transient increase in plasticity. This was followed by the adoption of distinct transcriptional programs that enable rapid expansion and, ultimately, clonal sweep of stable subclones capable of metastasizing. Finally, tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates progression by creating novel trajectories. Our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution and, more broadly, enables in-depth studies of tumor progression.

SUMMARY Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth, expansion to neighboring and distal tissues, and therapeutic resistance. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53 (KP)-driven lung adenocarcinoma which enabled us to track tumor evolution from single transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by transient increase in plasticity. This was followed by adoption of distinct fitness-associated transcriptional programs which enable rapid expansion and ultimately clonal sweep of rare, stable subclones capable of metastasizing to distant sites. Finally, we showed that tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates tumor progression by creating novel evolutionary paths. Overall, our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution, and more broadly enables the in-depth study of tumor progression.

Abstract Antibodies are created and refined by somatic evolution in B cell populations, which endows the human immune system with the ability to recognize and eliminate diverse pathogens. However, the evolutionary processes that sculpt antibody repertoires remain poorly understood. Here, using an unbiased repertoire-scale approach, we show that the molecular signatures of evolution are evident in human B cell lineages and reveal how antibodies evolve somatically. We measured the dynamics and genetic diversity of B cell responses of five adults longitudinally before and after influenza vaccination using high-throughput antibody repertoire sequencing. We identified vaccine-responsive B cell lineages that carry signatures of selective sweeps driven by positive selection, and discovered that they often display evidence for selective sweeps favoring multiple subclones. We also found persistent B cell lineages that exhibit stable population dynamics and carry signatures of neutral drift. By exploiting the linkage between B cell fitness and antibody binding affinity, we demonstrated the potential for using signatures of selection to identify antibodies with high binding affinity. This quantitative characterization reveals that antibody repertoires are shaped by an unexpectedly broad spectrum of evolutionary processes and shows how signatures of evolutionary history can be harnessed for antibody discovery and engineering. One Sentence Summary Molecular signatures of somatic evolution reveal that diverse evolutionary processes ranging from strong positive selection to neutral drift sculpt human antibodies.

Abstract Recognition of environmental cues is essential for the survival of all organisms. Precise transcriptional changes occur to enable the generation and function of the neural circuits underlying sensory perception. To gain insight into these changes, we generated single-cell transcriptomes of Drosophila olfactory receptor neurons (ORNs), thermosensory and hygrosensory neurons from the third antennal segment at an early developmental and adult stage. We discovered that ORNs maintain expression of the same olfactory receptors across development. Using these receptors and computational approaches, we matched transcriptomic clusters corresponding to anatomically and physiologically defined neuronal types across multiple developmental stages. Cell-type-specific transcriptomes, in part, reflected axon trajectory choices in early development and sensory modality in adults. Our analysis also uncovered type-specific and broadly expressed genes that could modulate adult sensory responses. Collectively, our data reveal important transcriptomic features of sensory neuron biology and provides a resource for future studies of their development and physiology.

Abstract Neurons undergo substantial morphological and functional changes during development to form precise synaptic connections and acquire specific physiological features. What are the underlying transcriptomic bases? Here, we obtained the single-cell transcriptomes of Drosophila olfactory projection neurons (PNs) at four developmental stages. We decoded the identity of 21 transcriptomic clusters corresponding to 20 PN types and developed methods to match transcriptomic clusters representing the same PN type across development. We discovered that PN transcriptomes reflect unique biological processes unfolding at each stage—neurite growth and pruning during metamorphosis at an early pupal stage; peaked transcriptomic diversity during olfactory circuit assembly at mid-pupal stages; and neuronal signaling in adults. At early developmental stages, PN types with adjacent birth order share similar transcriptomes. Together, our work reveals principles of cellular diversity during brain development and provides a resource for future studies of neural development in PNs and other neuronal types.

Antibody memory protects humans from many diseases. Protective antibody memory responses require activation of transcriptional programs, cell proliferation, and production of antigen-specific antibodies, but how these aspects of the response are coordinated is poorly understood. We profiled the molecular and cellular features of the antibody response to influenza vaccination by integrating single-cell transcriptomics, longitudinal antibody repertoire sequencing, and antibody binding measurements. Single-cell transcriptional profiling revealed a program of memory B cell activation characterized by CD11c and T-bet expression associated with clonal expansion and differentiation toward effector function. Vaccination elicited an antibody clone which rapidly acquired broad high-affinity hemagglutinin binding during affinity maturation. Unexpectedly, many antibody clones elicited by vaccination do not bind vaccine, demonstrating non-specific activation of bystander antibodies by influenza vaccination. These results offer insight into how molecular recognition, transcriptional programs, and clonal proliferation are coordinated in the human B cell repertoire during memory recall.

Abstract Interest in using nanoparticles for delivery of therapeutic RNA has been steadily growing, provoking a need to precisely understand their structure and contents. Single-particle and single-molecule analysis techniques provide snapshots of single biological nanoparticles, including viruses, liposomes, and extracellular vesicles (EVs). While existing methods primarily focus on protein detection, RNA delivery is becoming increasingly prevalent. A method to simultaneously detect protein and internal RNA in the same particle would reveal variability in size, structure, and RNA packaging efficiency, enabling optimization of nanoparticle delivery. Here, we introduce SPIRFISH, a high-throughput method for single-particle protein and RNA analysis, combining single particle interferometric reflectance imaging sensor (SP-IRIS) with single-molecule fluorescence in-situ hybridization (smFISH). Using SPIRFISH, we detect HIV-1 envelope protein and genomic RNA within single infectious virions, allowing resolution against EV background and noninfectious virions. We further show that SPIRFISH can be used to detect specific RNA within EVs. SPIRFISH should enable single particle analysis of a broad class of RNA-containing nanoparticles. Teaser: A new single particle analysis technique simultaneously detects specific RNA and protein in biological nanoparticles.

A key feature of cells is the capacity to activate new functional polarized domains contemporaneously to pre-existing ones. How cells accomplish this is not clear. Here, we show that in fission yeast inhibition of cell polarity at pre-existing domains of polarized cell growth is required to activate new growth. This inhibition is mediated by the ERM-related polarity factor Tea3, which antagonizes the activation of the Rho-GTPase Cdc42 by its co-factor Scd2. We demonstrate that Tea3 acts in a phosphorylation-dependent manner controlled by the PAK kinase Shk1 and that, like Scd2, Tea3 is direct substrate of Shk1. Importantly, we show that Tea3 and Scd2 compete for their binding to Shk1 in vitro, indicating that their biochemical competition for Shk1 underpins their antagonistic roles in controlling polarity. Mathematical modelling of an 'inhibitor-activator' system mimicking the Tea3-Scd2 antagonism suggests that it can account for several major features of polarity control observed in cells, including the anti-correlated localizations of Tea3 and cell growth areas observed throughout the cell cycle, controlling the period of GTP-Cdc42 oscillations at the cell cortex and modulating the time at which cells trigger new polarized growth. Thus, by preventing pre-existing growth domains from becoming overpowering, polarity inhibition plays a key role in allowing cells to redistribute their polarity-activating machinery to prospective growth sites and control the timing of new growth activation - explaining how a polarity inhibitor can serve as an activator of new polarity zone formation.