Abstract Inhibitory signaling during natural killer (NK) cell education translates into increased responsiveness to activation; however the intracellular mechanism for functional tuning by inhibitory receptors remains unclear. We found that educated NK cells expressing self-MHC specific inhibitory killer cell immunoglobulin-like receptors (KIR) show accumulation of granzyme B, localized in dense-core secretory lysosomes, converged close to the centrosome. This discrete morphological phenotype persists in self-KIR + NK cells independently of transcriptional programs that regulate effector function, metabolism and lysosomal biogenesis. The granzymeB dense, large secretory lysosomes in self-KIR + NK cells were efficiently released upon target cell recognition, contributing to their enhanced cytotoxic capacity. Secretory lysosomes are part of the acidic lysosomal compartment, which has been shown to channel calcium and mediate intracellular signalling in several cell types. Interference of signaling from acidic Ca 2+ stores in primary NK cells reduced both target-specific Ca 2+ -flux, degranulation and cytokine production. Furthermore, inhibition of PI(3,5)P 2 synthesis or genetic silencing of the PI(3,5)P 2 -regulated lysosomal Ca 2+ -channel TRPML1 led to increased levels of granzyme B and enhanced functional potential. These results indicate an intrinsic role for lysosomal homeostasis in NK cell education.

Abstract Although microRNAs (miRNA) are involved in all hallmarks of cancer, miRNA dysregulation in metastasis remains poorly understood and contradictory results have been published. The aim of this work was to identify miRNAs associated with metastatic progression of colorectal cancer (CRC). Novel and previously published next generation sequencing (NGS) datasets generated from 268 samples with primary (pCRC) and metastatic CRC (mCRC; liver, lung and peritoneal metastases) and tumor adjacent tissues were analyzed. Differential expression analysis was performed using a meticulous bioinformatics pipeline, including only bona fide miRNAs, utilizing miRNA-tailored quality control and processing, and applying a physiologically meaningful cut-off value (100 reads per million). The results were adjusted for host tissue background expression and samples from the different metastatic sites were independently analyzed. A metastatic signature containing five miRNAs up-regulated at multiple metastatic sites was identified (Mir-210_3p, Mir-191_5p, Mir-8-P1b_3p (mir-141-3p) , Mir-1307_5p, and Mir-155_5p) along with a number of miRNAs that were differentially expressed at individual metastatic sites. Several of these have previously been implicated in metastasis through involvement in epithelial-to-mesenchymal transition and hypoxia, while other identified miRNAs represent novel findings. The identified differentially expressed miRNAs confirm known associations and contribute novel insights into miRNA involvement in the metastatic process. The use of open science practices facilitates reproducibility, and new datasets may easily be added to the publicly available pipeline to continuously improve the knowledge in the field. The identified set of miRNAs provides a reliable starting-point for further research into the role of miRNAs in metastatic progression.

Sample pooling enabled by dedicated indexes is a common and cost-effective strategy used in next-generation sequencing. Index misassignment leading to cross-sample contamination has however been described as a general problem of sequencing instruments which utilize exclusion amplification. Using real-life data from multiple tumor sequencing projects, we demonstrate that co-multiplexed samples can induce artifactual calls closely resembling high-quality somatic variant calls, and argue that dual indexing is the most reliable countermeasure.

FGFR1 represents an important target for precision medicine and a detailed molecular understanding of the target is important in order to increase the efficacy of FGFR inhibitors. We have here applied proximity labelling of FGFR1 in an osteosarcoma cell line to identify determinants of FGFR1 activity. Many known FGFR interactors were identified (e.g. FRS2, PLCg, RSK2, SHC4, SRC), but the data also suggested novel determinants. A strong hit in our screen was the tyrosine phosphatase PTPRG. We show that PTPRG and FGFR1 interact and colocalize at the plasma membrane where PTPRG directly dephosphorylates activated FGFR1. We further show that osteosarcoma cell lines depleted for PTPRG display increased FGFR activity and are hypersensitive to stimulation by FGF1. In addition, PTPRG depletion elevated cell growth and negatively affected the efficacy of FGFR kinase inhibitors. Thus, PTPRG may have future clinical relevance by being a predictor of outcome after FGFR inhibitor treatment.

Adoptive transfer of allogeneic NK cells holds great promise for cancer immunotherapy. There is a variety of protocols to expand NK cells in vitro, most of which are based on stimulation with cytokines alone or in combination with feeder cells. Although IL-15 is essential for NK cell homeostasis in vivo, it is commonly used at supra-physiological levels to induce NK cell proliferation in vitro. As a result, adoptive transfer of such IL-15 addicted NK cells is associated with cellular stress due to sudden cytokine withdrawal. Here, we describe a dose-dependent addiction to IL-15 during in vitro expansion, leading to caspase-3 activation and profound cell death upon IL-15 withdrawal. NK cell addiction to IL-15 was tightly linked to the BCL-2/BIM ratio, which rapidly dropped during IL-15 withdrawal. Furthermore, we observed a proliferation-dependent induction of BIM Short (BIM S), a highly pro-apoptotic splice variant of BIM, in IL-15 activated NK cells. These findings shed new light on the molecular mechanisms involved in NK cell apoptosis following cytokine withdrawal and may guide future NK cell priming strategies in a cell therapy setting.

Natural killer (NK) cell repertoires are made up of a vast number of phenotypically distinct subsets with different functional properties. The molecular programs involved in maintaining NK cell repertoire diversity under homeostatic conditions remains elusive. Here we show that subset-specific NK cell proliferation kinetics correlate with mTOR activation, and that global repertoire diversity is maintained through a high degree of intra-lineage subset plasticity during IL-15-driven homeostatic proliferation in vitro. High-resolution flow cytometry and single cell RNA sequencing revealed that slowly cycling sorted KIR+CD56dim NK cells with an induced CD57 phenotype display increased functional potential associated with inhibitory MHC interactions and activating DAP12 signaling. In contrast, rapidly cycling cells upregulate NKG2A and display a general loss of functionality associated with a transcriptional increase in RNA-binding metabolic enzymes and cytokine signaling pathways. These results shed new light on the role of intra-lineage plasticity during NK cell homeostasis and suggest that the functional fate of the cell is tightly linked to the acquired phenotype and determined by transcriptional reprogramming.

Abstract The vitamin A metabolite all-trans retinoic acid (ATRA; tretinoin) has anticancer potential. However, lack of clinical success has prevented its approval for solid tumours. Herein, we propose combining short-term low-dose ATRA preconditioning with fimaporfin-based photodynamic therapy (ATRA+PDT) for the improved treatment of solid cancers. Compared to monotherapies, ATRA+PDT induced synergistic cytotoxic responses including promotion of apoptosis in colon and breast carcinoma cell lines. Neither enhanced activity of alkaline phosphatase (ALP) nor increased expression of CD133 was detected after ATRA treatment indicating that ATRA+PDT cause cell death independent of differentiation. In the human colorectal adenocarcinoma cell line HT-29, the effect of ATRA+PDT on gene expression was evaluated by RNA sequencing (RNA-seq). We identified 1129 differentially expressed genes (DEGs) after ATRA+PDT compared to PDT. Ingenuity Pathway Analysis (IPA) predicted the unfolded protein response (UPR), interferon (IFN) signaling and retinoic acid-mediated apoptosis signaling as strongly activated canonical pathways after ATRA+PDT compared to PDT. A validation of the RNA-sec data by RT-qPCR revealed that ATRA+PDT elevated mRNA expression of early growth response 1 (EGR1) and strongly the stress-induced activating transcription factor 3 (ATF3), of which was confirmed on the protein level. In addition, ATRA+PDT abolished mRNA expression of regenerating islet-derived protein 4 (REG4). During the first 20 days post-ATRA+PDT, we obtained significant anti-tumour responses in HT-29 xenografts, including complete responses in 2/5 mice. In conclusion, ATRA+PDT represent a novel combination therapy for solid tumours that should be further tested in immunocompetent preclinical models.

Abstract Precision CRISPR gene editing relies on the cellular homology-directed DNA repair (HDR) to introduce custom DNA sequences to target sites. The HDR editing efficiency varies between cell types and genomic sites, and the sources of this variation are incompletely understood. Here, we have studied the effect of 450 DNA repair protein - Cas9 fusions on CRISPR genome editing outcomes. We find the majority of fusions to improve precision genome editing only modestly in a locus- and cell-type specific manner. We identify Cas9-POLD3 fusion that enhances editing by speeding up the initiation of DNA repair. We conclude that while DNA repair protein fusions to Cas9 can improve HDR CRISPR editing, most need to be optimized to the particular cell type and genomic site, highlighting the diversity of factors contributing to locus-specific genome editing outcomes.

Natural killer cell repertoires are functionally diversified as a result of differentiation, homeostatic receptor-ligand interactions and adaptive responses to viral infections. However, the regulatory gene-circuits that define the manifold cell states and drive NK cell differentiation have not been clearly resolved. Here, we performed single-cell RNA sequencing of 26,506 cells derived from sorted phenotypically-defined human NK cell subsets to delineate a tightly coordinated differentiation process from a small population of CD56bright precursors to adaptive NKG2C+ CD56dim NK cells. RNA velocity analysis identified a clear directionality in the transition from CD56bright to CD56dim NK cells, which was dominated by genes involved in transcription and translation as well as acquisition of NK cell effector function. Gene expression trends mapped to pseudotime, defined by increasing entropy, identified three distinct transcriptional checkpoints, reflecting important changes in regulatory gene-circuits. The CD56bright NK cell population dominated pseudotime with two distinct checkpoints separating precursors from intermediate states that gradually took on transcriptional signatures similar to CD56dim NK cells. The final checkpoint occurred during late terminal differentiation of CD56dim NK cells and was associated with unique divergent gene-expression trends. Furthermore, we utilized this single-cell RNA sequencing resource to decipher the regulation of genes involved in lysosomal biogenesis and found a coordinated gradual increase in the RAB4 and BLOC1S gene families with differentiation into CD56dim NK cells. These results identify important gene programs driving functional diversification and specialization during NK cell differentiation and hold potential to guide new strategies for NK cell-based cancer immunotherapy.