Current approaches for live imaging of cellular actin dynamics have several drawbacks. Now the use of Lifeact, a 17-aa actin-binding peptide from yeast that is not present in higher eukaryotes, allows imaging of actin dynamics in live mammalian cells without disruption of function and without competition with endogenous binding proteins. Live imaging of the actin cytoskeleton is crucial for the study of many fundamental biological processes, but current approaches to visualize actin have several limitations. Here we describe Lifeact, a 17-amino-acid peptide, which stained filamentous actin (F-actin) structures in eukaryotic cells and tissues. Lifeact did not interfere with actin dynamics in vitro and in vivo and in its chemically modified peptide form allowed visualization of actin dynamics in nontransfectable cells.

There is emerging evidence that platelets are major contributors to inflammatory processes through intimate associations with innate immune cells. Here, we report that activated platelets induce the formation of neutrophil extracellular traps (NETs) in transfusion-related acute lung injury (TRALI), which is the leading cause of death after transfusion therapy. NETs are composed of decondensed chromatin decorated with granular proteins that function to trap extracellular pathogens; their formation requires the activation of neutrophils and release of their DNA in a process that may or may not result in neutrophil death. In a mouse model of TRALI that is neutrophil and platelet dependent, NETs appeared in the lung microvasculature and NET components increased in the plasma. We detected NETs in the lungs and plasma of human TRALI and in the plasma of patients with acute lung injury. In the experimental TRALI model, targeting platelet activation with either aspirin or a glycoprotein IIb/IIIa inhibitor decreased NET formation and lung injury. We then directly targeted NET components with a histone blocking antibody and DNase1, both of which protected mice from TRALI. These data suggest that NETs contribute to lung endothelial injury and that targeting NET formation may be a promising new direction for the treatment of acute lung injury.

Single-cell analysis of gene expression in metastatic cells from distinct human breast tumour models shows that early metastatic cells possess basal, stem and mesenchymal cell properties, whereas advanced metastatic cells have more proliferative properties and are more mature, enabling them to be targeted with an anti-proliferative compound. An understanding the dynamics of metastasis is critical for the development of new cancer treatments. In an effort to characterize metastatic cell properties and correlate them with tumour burden, Zena Werb and colleagues used single-cell genomics tools to investigate cellular differentiation in individual human metastatic breast cancer cells from distinct breast tumour models. They find that early metastatic cells possess basal and mesenchymal properties, and carry markers of dormant tumour cells, while expressing pluripotent markers. In contrast, late metastatic cells have more proliferative properties and are less stem-cell like, expressing markers of differentiation. Given these differences, authors were also able to target the late metastatic cells with an anti-proliferative compound to reduce metastatic burden in a mouse model. Despite major advances in understanding the molecular and genetic basis of cancer, metastasis remains the cause of >90% of cancer-related mortality1. Understanding metastasis initiation and progression is critical to developing new therapeutic strategies to treat and prevent metastatic disease. Prevailing theories hypothesize that metastases are seeded by rare tumour cells with unique properties, which may function like stem cells in their ability to initiate and propagate metastatic tumours2,3,4,5. However, the identity of metastasis-initiating cells in human breast cancer remains elusive, and whether metastases are hierarchically organized is unknown2. Here we show at the single-cell level that early stage metastatic cells possess a distinct stem-like gene expression signature. To identify and isolate metastatic cells from patient-derived xenograft models of human breast cancer, we developed a highly sensitive fluorescence-activated cell sorting (FACS)-based assay, which allowed us to enumerate metastatic cells in mouse peripheral tissues. We compared gene signatures in metastatic cells from tissues with low versus high metastatic burden. Metastatic cells from low-burden tissues were distinct owing to their increased expression of stem cell, epithelial-to-mesenchymal transition, pro-survival, and dormancy-associated genes. By contrast, metastatic cells from high-burden tissues were similar to primary tumour cells, which were more heterogeneous and expressed higher levels of luminal differentiation genes. Transplantation of stem-like metastatic cells from low-burden tissues showed that they have considerable tumour-initiating capacity, and can differentiate to produce luminal-like cancer cells. Progression to high metastatic burden was associated with increased proliferation and MYC expression, which could be attenuated by treatment with cyclin-dependent kinase (CDK) inhibitors. These findings support a hierarchical model for metastasis, in which metastases are initiated by stem-like cells that proliferate and differentiate to produce advanced metastatic disease.

Treatment with DNase I–coated nanoparticles prevents metastasis by targeting neutrophil extracellular traps induced by cancer cells in a mouse model.

Abstract During wound healing in adult mouse skin, hair follicles and then adipocytes regenerate. Adipocytes regenerate from myofibroblasts, a specialized contractile wound fibroblast. Here we study wound fibroblast diversity using single-cell RNA-sequencing. On analysis, wound fibroblasts group into twelve clusters. Pseudotime and RNA velocity analyses reveal that some clusters likely represent consecutive differentiation states toward a contractile phenotype, while others appear to represent distinct fibroblast lineages. One subset of fibroblasts expresses hematopoietic markers, suggesting their myeloid origin. We validate this finding using single-cell western blot and single-cell RNA-sequencing on genetically labeled myofibroblasts. Using bone marrow transplantation and Cre recombinase-based lineage tracing experiments, we rule out cell fusion events and confirm that hematopoietic lineage cells give rise to a subset of myofibroblasts and rare regenerated adipocytes. In conclusion, our study reveals that wounding induces a high degree of heterogeneity among fibroblasts and recruits highly plastic myeloid cells that contribute to adipocyte regeneration.

Neutrophil granulocytes form the body's first line of antibacterial defense, but they also contribute to tissue injury and noninfectious, chronic inflammation. Proteinase 3 (PR3) and neutrophil elastase (NE) are 2 abundant neutrophil serine proteases implicated in antimicrobial defense with overlapping and potentially redundant substrate specificity. Here, we unraveled a cooperative role for PR3 and NE in neutrophil activation and noninfectious inflammation in vivo, which we believe to be novel. Mice lacking both PR3 and NE demonstrated strongly diminished immune complex-mediated (IC-mediated) neutrophil infiltration in vivo as well as reduced activation of isolated neutrophils by ICs in vitro. In contrast, in mice lacking just NE, neutrophil recruitment to ICs was only marginally impaired. The defects in mice lacking both PR3 and NE were directly linked to the accumulation of antiinflammatory progranulin (PGRN). Both PR3 and NE cleaved PGRN in vitro and during neutrophil activation and inflammation in vivo. Local administration of recombinant PGRN potently inhibited neutrophilic inflammation in vivo, demonstrating that PGRN represents a crucial inflammation-suppressing mediator. We conclude that PR3 and NE enhance neutrophil-dependent inflammation by eliminating the local antiinflammatory activity of PGRN. Our results support the use of serine protease inhibitors as antiinflammatory agents.

Myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) are innate immune cells that acquire the capacity to suppress adaptive immune responses during cancer. It remains elusive how MDSCs differ from their normal myeloid counterparts, which limits our ability to specifically detect and therapeutically target MDSCs during cancer. Here, we sought to determine the molecular features of breast cancer-associated MDSCs using the widely studied mouse model based on the mouse mammary tumor virus (MMTV) promoter-driven expression of the polyomavirus middle T oncoprotein (MMTV-PyMT). To identify MDSCs in an unbiased manner, we used single-cell RNA sequencing to compare MDSC-containing splenic myeloid cells from breast tumor-bearing mice with wild-type controls. Our computational analysis of 14,646 single-cell transcriptomes revealed that MDSCs emerge through an aberrant neutrophil maturation trajectory in the spleen that confers them an immunosuppressive cell state. We establish the MDSC-specific gene signature and identify CD84 as a surface marker for improved detection and enrichment of MDSCs in breast cancers.

Abstract Breast cancer arises from breast epithelial cells that acquire genetic alterations leading to subsequent loss of tissue homeostasis. Several distinct epithelial subpopulations have been proposed, but complete understanding of the spectrum of heterogeneity and differentiation hierarchy in the human breast remains elusive. Here, we use single-cell mRNA sequencing (scRNAseq) to profile the transcriptomes of 25,790 primary human breast epithelial cells isolated from reduction mammoplasties of seven individuals. Unbiased clustering analysis reveals the existence of three distinct epithelial cell populations, one basal and two luminal cell types, which we identify as secretory L1- and hormone-responsive L2-type cells. Pseudotemporal reconstruction of differentiation trajectories produces one continuous lineage hierarchy that closely connects the basal lineage to the two differentiated luminal branches. Our comprehensive cell atlas provides insights into the cellular blueprint of the human breast epithelium and will form the foundation to understand how the system goes awry during breast cancer.

Abstract Metastasis is a fatal disease where research progress has been hindered by a lack of authentic experimental models. Here, we develop a 3D tumor sphere culture-transplant system that facilitates the expansion and engineering of patient-derived xenograft (PDX) tumor cells for functional metastasis assays in vivo . Orthotopic transplantation and RNA sequencing analyses show that PDX tumor spheres maintain tumorigenic potential, and the molecular marker and global transcriptome signatures of native tumor cells. Tumor spheres display robust capacity for lentiviral engineering and dissemination in spontaneous and experimental metastasis assays in vivo . Inhibition of pathways previously reported to attenuate metastasis also inhibit metastasis after sphere culture, validating our approach for authentic investigations of metastasis. Finally, we demonstrate a new role for the metabolic enzyme NME1 in promoting breast cancer metastasis, providing proof-of-principle that our culture-transplant system can be used for authentic propagation and engineering of patient tumor cells for functional studies of metastasis.

Abstract The identification of progenitor and stem like cells in epithelial tissues, as well as those that may serve as the cell of origin for epithelial cancers, is an outstanding challenge. Here we present a novel algorithm, called LandSCENT, which constructs a 3-dimensional integrated landscape of cell-states, encompassing cell-potency and expression subtypes, to facilitate the identification of progenitor and stem-like cells. Application to thousands of single-cell RNA-Seq profiles from the normal mammary epithelium reveals a rare 5% subpopulation of highly potent single-cells. The integrated landscape naturally predicts that these cells define a bi-potent-like state, a result not obtainable via standard methods or without invoking prior assumptions. The bi-potent-like cells are overrepresented within the basal compartment but also overlap with an immature luminal phenotype. We characterize the transcriptome of these cells and show that is enriched for a mammary stem-cell module. We further identify YBX1 , a regulator of breast cancer risk identified from GWAS, as the key transcription factor defining this candidate bi-potent cellular phenotype. We validate the putative bi-potency of YBX1 -marked cells using independent FACS-sorted bulk expression data. In addition, YBX1 is overexpressed in basal breast cancer and correlates with clinical outcome. In summary, we here provide a novel computational framework which may serve to identify and prioritize candidate normal or cancer progenitor/stem-like single-cell phenotypes, for subsequent functional studies.