Single-cell expression profiles of melanoma Tumors harbor multiple cell types that are thought to play a role in the development of resistance to drug treatments. Tirosh et al. used single-cell sequencing to investigate the distribution of these differing genetic profiles within melanomas. Many cells harbored heterogeneous genetic programs that reflected two different states of genetic expression, one of which was linked to resistance development. Following drug treatment, the resistance-linked expression state was found at a much higher level. Furthermore, the environment of the melanoma cells affected their gene expression programs. Science , this issue p. 189

The diverse malignant, stromal, and immune cells in tumors affect growth, metastasis, and response to therapy. We profiled transcriptomes of ∼6,000 single cells from 18 head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) patients, including five matched pairs of primary tumors and lymph node metastases. Stromal and immune cells had consistent expression programs across patients. Conversely, malignant cells varied within and between tumors in their expression of signatures related to cell cycle, stress, hypoxia, epithelial differentiation, and partial epithelial-to-mesenchymal transition (p-EMT). Cells expressing the p-EMT program spatially localized to the leading edge of primary tumors. By integrating single-cell transcriptomes with bulk expression profiles for hundreds of tumors, we refined HNSCC subtypes by their malignant and stromal composition and established p-EMT as an independent predictor of nodal metastasis, grade, and adverse pathologic features. Our results provide insight into the HNSCC ecosystem and define stromal interactions and a p-EMT program associated with metastasis.

Summary

 Diverse genetic, epigenetic, and developmental programs drive glioblastoma, an incurable and poorly understood tumor, but their precise characterization remains challenging. Here, we use an integrative approach spanning single-cell RNA-sequencing of 28 tumors, bulk genetic and expression analysis of 401 specimens from the The Cancer Genome Atlas (TCGA), functional approaches, and single-cell lineage tracing to derive a unified model of cellular states and genetic diversity in glioblastoma. We find that malignant cells in glioblastoma exist in four main cellular states that recapitulate distinct neural cell types, are influenced by the tumor microenvironment, and exhibit plasticity. The relative frequency of cells in each state varies between glioblastoma samples and is influenced by copy number amplifications of the CDK4, EGFR, and PDGFRA loci and by mutations in the NF1 locus, which each favor a defined state. Our work provides a blueprint for glioblastoma, integrating the malignant cell programs, their plasticity, and their modulation by genetic drivers.

Summary

 Immune checkpoint inhibitors (ICIs) produce durable responses in some melanoma patients, but many patients derive no clinical benefit, and the molecular underpinnings of such resistance remain elusive. Here, we leveraged single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) from 33 melanoma tumors and computational analyses to interrogate malignant cell states that promote immune evasion. We identified a resistance program expressed by malignant cells that is associated with T cell exclusion and immune evasion. The program is expressed prior to immunotherapy, characterizes cold niches in situ, and predicts clinical responses to anti-PD-1 therapy in an independent cohort of 112 melanoma patients. CDK4/6-inhibition represses this program in individual malignant cells, induces senescence, and reduces melanoma tumor outgrowth in mouse models in vivo when given in combination with immunotherapy. Our study provides a high-resolution landscape of ICI-resistant cell states, identifies clinically predictive signatures, and suggests new therapeutic strategies to overcome immunotherapy resistance.

A single sentence summarizing your paper (websum), which will appear online on the table of contents and in e-alerts, has been provided below. Please check this sentence for accuracy and appropriate emphasis. Itay Tirosh et al. use single-cell RNA-seq to show that human oligodendrogliomas contain cancer cells specialized into two types of glia, as well as a rare subpopulation of cells that are undifferentiated and display a gene expression program that is characteristic of neural stem cells. By coupling this analysis with functional assessment of oligodendroglioma cell lines, the authors provide support for a cancer stem cell model of tumour development in this particular context. Although human tumours are shaped by the genetic evolution of cancer cells, evidence also suggests that they display hierarchies related to developmental pathways and epigenetic programs in which cancer stem cells (CSCs) can drive tumour growth and give rise to differentiated progeny1. Yet, unbiased evidence for CSCs in solid human malignancies remains elusive. Here we profile 4,347 single cells from six IDH1 or IDH2 mutant human oligodendrogliomas by RNA sequencing (RNA-seq) and reconstruct their developmental programs from genome-wide expression signatures. We infer that most cancer cells are differentiated along two specialized glial programs, whereas a rare subpopulation of cells is undifferentiated and associated with a neural stem cell expression program. Cells with expression signatures for proliferation are highly enriched in this rare subpopulation, consistent with a model in which CSCs are primarily responsible for fuelling the growth of oligodendroglioma in humans. Analysis of copy number variation (CNV) shows that distinct CNV sub-clones within tumours display similar cellular hierarchies, suggesting that the architecture of oligodendroglioma is primarily dictated by developmental programs. Subclonal point mutation analysis supports a similar model, although a full phylogenetic tree would be required to definitively determine the effect of genetic evolution on the inferred hierarchies. Our single-cell analyses provide insight into the cellular architecture of oligodendrogliomas at single-cell resolution and support the cancer stem cell model, with substantial implications for disease management.

Tumor subclasses differ according to the genotypes and phenotypes of malignant cells as well as the composition of the tumor microenvironment (TME). We dissected these influences in isocitrate dehydrogenase (IDH)–mutant gliomas by combining 14,226 single-cell RNA sequencing (RNA-seq) profiles from 16 patient samples with bulk RNA-seq profiles from 165 patient samples. Differences in bulk profiles between IDH-mutant astrocytoma and oligodendroglioma can be primarily explained by distinct TME and signature genetic events, whereas both tumor types share similar developmental hierarchies and lineages of glial differentiation. As tumor grade increases, we find enhanced proliferation of malignant cells, larger pools of undifferentiated glioma cells, and an increase in macrophage over microglia expression programs in TME. Our work provides a unifying model for IDH-mutant gliomas and a general framework for dissecting the differences among human tumor subclasses.

Type 2 innate lymphoid cells (ILC2s) both contribute to mucosal homeostasis and initiate pathologic inflammation in allergic asthma. However, the signals that direct ILC2s to promote homeostasis versus inflammation are unclear. To identify such molecular cues, we profiled mouse lung-resident ILCs using single-cell RNA sequencing at steady state and after in vivo stimulation with the alarmin cytokines IL-25 and IL-33. ILC2s were transcriptionally heterogeneous after activation, with subpopulations distinguished by expression of proliferative, homeostatic and effector genes. The neuropeptide receptor Nmur1 was preferentially expressed by ILC2s at steady state and after IL-25 stimulation. Neuromedin U (NMU), the ligand of NMUR1, activated ILC2s in vitro, and in vivo co-administration of NMU with IL-25 strongly amplified allergic inflammation. Loss of NMU–NMUR1 signalling reduced ILC2 frequency and effector function, and altered transcriptional programs following allergen challenge in vivo. Thus, NMUR1 signalling promotes inflammatory ILC2 responses, highlighting the importance of neuro-immune crosstalk in allergic inflammation at mucosal surfaces. Neuromedin receptor NMUR1 is specifically expressed by a subpopulation of type 2 innate lymphoid cells and promotes the inflammatory response of these cells in response to allergens, indicating the importance of neuro-immune crosstalk in allergic responses. Vijay Kuchroo and colleagues use single-cell RNA sequencing techniques to analyse the responses of lung innate lymphoid cells in mice to the epithelial-cell-derived cytokines IL-15 and IL-33. They identify the neuromedin U receptor NMUR1 as a receptor specifically expressed by a subpopulation of type 2 innate lymphoid cells (ILC2s), and show that it is activated by IL-25 plus the neuropeptide ligand neuromedin U (NMU), generating a lung inflammatory response. Loss of NMU–NMUR1 signalling results in allergic lung inflammation.

Lineage tracing provides key insights into the fate of individual cells in complex organisms. Although effective genetic labeling approaches are available in model systems, in humans, most approaches require detection of nuclear somatic mutations, which have high error rates, limited scale, and do not capture cell state information. Here, we show that somatic mutations in mtDNA can be tracked by single-cell RNA or assay for transposase accessible chromatin (ATAC) sequencing. We leverage somatic mtDNA mutations as natural genetic barcodes and demonstrate their utility as highly accurate clonal markers to infer cellular relationships. We track native human cells both in vitro and in vivo and relate clonal dynamics to gene expression and chromatin accessibility. Our approach should allow clonal tracking at a 1,000-fold greater scale than with nuclear genome sequencing, with simultaneous information on cell state, opening the way to chart cellular dynamics in human health and disease.

Summary

 The mesenchymal subtype of glioblastoma is thought to be determined by both cancer cell-intrinsic alterations and extrinsic cellular interactions, but remains poorly understood. Here, we dissect glioblastoma-to-microenvironment interactions by single-cell RNA sequencing analysis of human tumors and model systems, combined with functional experiments. We demonstrate that macrophages induce a transition of glioblastoma cells into mesenchymal-like (MES-like) states. This effect is mediated, both in vitro and in vivo, by macrophage-derived oncostatin M (OSM) that interacts with its receptors (OSMR or LIFR) in complex with GP130 on glioblastoma cells and activates STAT3. We show that MES-like glioblastoma states are also associated with increased expression of a mesenchymal program in macrophages and with increased cytotoxicity of T cells, highlighting extensive alterations of the immune microenvironment with potential therapeutic implications.

Malignant abdominal fluid (ascites) frequently develops in women with advanced high-grade serous ovarian cancer (HGSOC) and is associated with drug resistance and a poor prognosis1. To comprehensively characterize the HGSOC ascites ecosystem, we used single-cell RNA sequencing to profile ~11,000 cells from 22 ascites specimens from 11 patients with HGSOC. We found significant inter-patient variability in the composition and functional programs of ascites cells, including immunomodulatory fibroblast sub-populations and dichotomous macrophage populations. We found that the previously described immunoreactive and mesenchymal subtypes of HGSOC, which have prognostic implications, reflect the abundance of immune infiltrates and fibroblasts rather than distinct subsets of malignant cells2. Malignant cell variability was partly explained by heterogeneous copy number alteration patterns or expression of a stemness program. Malignant cells shared expression of inflammatory programs that were largely recapitulated in single-cell RNA sequencing of ~35,000 cells from additionally collected samples, including three ascites, two primary HGSOC tumors and three patient ascites-derived xenograft models. Inhibition of the JAK/STAT pathway, which was expressed in both malignant cells and cancer-associated fibroblasts, had potent anti-tumor activity in primary short-term cultures and patient-derived xenograft models. Our work contributes to resolving the HSGOC landscape3–5 and provides a resource for the development of novel therapeutic approaches. Single-cell transcriptomics analysis of malignant ascites samples from patients with high-grade serous ovarian cancer reveals inter- and intra-patient heterogeneity in malignant cells, cancer-associated fibroblasts and macrophages.