Summary The bone marrow permanently harbors high numbers of neutrophils, and a tumor-supportive bias of these cells could significantly impact bone marrow-confined malignancies. In multiple myeloma, the bone marrow is characterized by inflammatory stromal cells with the potential to influence neutrophils. We investigated myeloma-associated alterations in marrow neutrophils and the impact of stromal inflammation on neutrophil function. Mature neutrophils in myeloma marrow are activated and tumor-supportive, transcribing increased levels of IL-1β, and myeloma cell survival factor BAFF. Interactions with inflammatory stromal cells can induce neutrophil activation, including BAFF secretion, in a STAT3-dependent manner and once activated, neutrophils gain the ability to reciprocally induce stromal activation. After first-line myeloid-depleting treatment, patient bone marrow retains residual stromal inflammation and newly-formed neutrophils are reactivated. Combined, we identify a neutrophil-stromal cell feed-forward loop driving tumor-supportive inflammation that persists after treatment and warrants novel strategies to target both stromal and immune microenvironments in multiple myeloma.

Abstract Natural killer (NK) cells mediate the cytotoxic immune response against multiple myeloma and are important effector cells in immune therapies through antibody-dependent cellular cytotoxicity. Here, we used single-cell transcriptomics, flow cytometry and functional assays to investigate the bone marrow NK cell compartment of myeloma patients at diagnosis, during treatment and after relapse. The bone marrow of myeloma patients is characterized by a reduction in conventional cytotoxic NK cells that persists throughout treatment. We show in 20% of newly diagnosed myeloma patients that an altered balance between cytotoxic and cytokine-producing NK cells translates into a reduced cytotoxic ability in response to therapeutic antibodies. The relative loss of cytotoxic NK cells persists at relapse and is accompanied by an expansion of IFN-responsive NK cells. These findings reveal previously unappreciated alterations in bone marrow NK cell composition and highlight the importance of understanding the bone marrow immune system in patients receiving immunotherapies. Statement of significance The bone marrow of multiple myeloma patients is characterized by a persistent reduction in cytotoxic CD56 dim NK cells, accompanied by inferior in vitro responses to therapeutic antibodies at diagnosis and an increase in IFN-responsive NK cells at relapse. These findings highlight the importance of understanding the BM microenvironment in multiple myeloma patients receiving immunotherapies.

Hematopoietic stem cells (HSCs) are tightly controlled to keep a balance between myeloid and lymphoid cell differentiation. Gata2 is a pivotal hematopoietic transcription factor required for HSC generation and maintenance. We generated a zebrafish mutant for the mammalian Gata2 orthologue, gata2b . We found that in adult zebrafish, gata2b is required for both neutrophilic- and monocytic lineage differentiation. Single cell transcriptome analysis revealed that the myeloid defect present in Gata2b deficient zebrafish arise in the most immature hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) compartment and that this population is instead committed towards the lymphoid and erythroid lineage. Taken together, we find that Gata2b is vital for the fate choice between the myeloid and lymphoid lineages.

Sjögren's disease (SjD) causes localised and systemic inflammation due to autoantibody production against intracellular proteins, such as TRIM21/Ro52. TRIM21 is an E3 ubiquitin ligase which binds antibody Fc domains on opsonised pathogens, which have escaped extracellular immunity and entered cytosols; TRIM21 ubiquitinates these, driving their proteasomal degradation. How and why TRIM21 becomes an autoantigen remains unclear. We show that TRIM21 is released upon lytic cell death (pyroptosis/necroptosis) but not apoptosis. Released TRIM21 binds circulating antibody Fc domains, and forms large immune complexes (ICs). These are further enhanced with TRIM21/Ro52 seropositive SjD plasma antibodies, where interactions are mediated via both Fc and F(ab')2 domains. TRIM21-ICs are taken up by macrophages, which in high interferon environments drive pro-inflammatory responses, antigen presentation, and inflammatory and metabolic transcriptional changes. Whilst many cytosolic proteins are released by dead cells, due to its high affinity for antibodies, TRIM21 can generate large ICs. This may perpetuate inflammation and antigen presentation, causing TRIM21 to be highly autoimmunogenic.

Abstract Multiple myeloma is a disease of malignant plasma cells residing in the bone marrow, where interactions with local immune cells are thought to contribute to disease pathobiology. However, since a multiple myeloma diagnosis is virtually always preceded by an asymptomatic precursor phase, identifying early alterations in the bone marrow micro-environment following occupation by multiple myeloma cells remains challenging. Here we used the 5TGM1 transfer model of murine myeloma in combination with myeloma-permissive KaLwRij mice and myeloma-resistant C57Bl/6 mice and hypothesized that differential sensitivity to myeloma in these HLA-identical mouse strains has an immunological basis and might allow for dissection of early immune responses to myeloma cells. Using flow cytometry and single-cell RNA sequencing we show that C57Bl/6 mice can restrain tumor growth for prolonged periods, associated with activation of cytotoxic immune responses that were absent from KaLwRij mice. Transcriptional analysis of immune cells and stromal cells identified a central role for IFN-signaling in tumor containment, and antibody-mediated neutralization of IFNγ increased both incidence and outgrowth of multiple myeloma in C57Bl/6 mice. Together these findings highlight the ability of a fully functional immune system to control multiple myeloma progression in an IFNγ−dependent manner and suggest that transfer of 5TGM1 cells into parental C57Bl/6 mice can serve as a faithful model to track anti-myeloma immune responses in immune competent and genetically modifiable mice.

ABSTRACT Cancer initiation is orchestrated by interplay between tumor-initiating cells and their stromal/immune environment. Here, by adapted scRNAsequencing, we decipher the predicted signaling between tissue-resident hematopoietic stem/progenitor cells (HSPCs) and their neoplastic counterparts with their native niches in the human bone marrow. LEPR + stromal cells are identified as central regulators of hematopoiesis through predicted interactions with all cells in the marrow. Inflammatory niche remodeling and the resulting deprivation of critical HSPC regulatory factors is predicted to repress distinct high-output HSC subsets in NPM1 -mutated AML, with relative resistance of clonal cells. Stromal gene signatures reflective of niche remodeling are associated with reduced relapse rates and favorable outcome after chemotherapy, across all genetic risk categories. Elucidation of the intercellular signaling defining human AML, thus, predicts that inflammatory remodeling of stem cell niches drives tissue repression and clonal selection, but may pose a vulnerability for relapse-initiating cells in the context of chemotherapeutic treatment. statement of significance Tumor-promoting inflammation is considered an enabling characteristic of tumorigenesis, but mechanisms remain incompletely understood. By deciphering the predicted signaling between tissue-resident stem cells and their neoplastic counterparts with their environment, we identify inflammatory remodeling of stromal niches as a determinant of normal tissue repression and clinical outcome in human AML. Key points A comprehensive taxonomy of the predicted interactions between LEPR + stromal niches, HSPCs and adaptive/innate immune cells in the human NBM. Inflammation-associated decline of stromal niches in AML represses residual normal hematopoiesis with relative resistance of leukemic cells. Inflammatory decline of stromal niches is associated with reduced relapse risk and favorable outcome.