Myeloid malignancies, including acute myeloid leukaemia (AML), arise from the expansion of haematopoietic stem and progenitor cells that acquire somatic mutations. Bulk molecular profiling has suggested that mutations are acquired in a stepwise fashion: mutant genes with high variant allele frequencies appear early in leukaemogenesis, and mutations with lower variant allele frequencies are thought to be acquired later1–3. Although bulk sequencing can provide information about leukaemia biology and prognosis, it cannot distinguish which mutations occur in the same clone(s), accurately measure clonal complexity, or definitively elucidate the order of mutations. To delineate the clonal framework of myeloid malignancies, we performed single-cell mutational profiling on 146 samples from 123 patients. Here we show that AML is dominated by a small number of clones, which frequently harbour co-occurring mutations in epigenetic regulators. Conversely, mutations in signalling genes often occur more than once in distinct subclones, consistent with increasing clonal diversity. We mapped clonal trajectories for each sample and uncovered combinations of mutations that synergized to promote clonal expansion and dominance. Finally, we combined protein expression with mutational analysis to map somatic genotype and clonal architecture with immunophenotype. Our findings provide insights into the pathogenesis of myeloid transformation and how clonal complexity evolves with disease progression. The evolution of myeloid malignancies is investigated using combined single-cell sequencing and immunophenotypic analysis.

Abstract Studies of acute myeloid leukemia rely on DNA sequencing and immunophenotyping by flow cytometry as primary tools for disease characterization. However, leukemia tumor heterogeneity complicates integration of DNA variants and immunophenotypes from separate measurements. Here we introduce DAb-seq, a novel technology for simultaneous capture of DNA genotype and cell surface phenotype from single cells at high throughput, enabling direct profiling of proteogenomic states in tens of thousands of cells. To demonstrate the approach, we analyze the disease of three patients with leukemia over multiple treatment timepoints and disease recurrences. We observe complex genotype-phenotype dynamics that illustrate the subtlety of the disease process and the degree of incongruity between blast cell genotype and phenotype in different clinical scenarios. Our results highlight the importance of combined single-cell DNA and protein measurements to fully characterize the heterogeneity of leukemia.

Abstract Single-cell RNA sequencing is now a standard method used to reveal the molecular details of cellular heterogeneity, but current approaches have limitations on speed, scale, and ease of use that stem from the complex microfluidic devices or fluid handling steps required for sample processing. We, therefore, developed a method that does not require specialized microfluidic devices, expertise, or hardware. Our approach is based on particle-templated emulsification, which allows single-cell encapsulation and barcoding of cDNA in uniform droplet emulsions with only a vortexer. PIP-seq accommodates a wide range of emulsification formats, including microwell plates and large-volume conical tubes, enabling thousands of samples or millions of cells to be processed in minutes. We demonstrate that PIP-seq produces high-purity transcriptomes in mouse-human mixing studies, is compatible with multi-omics measurements, and can accurately characterize cell types in human breast tissue when compared to a commercial microfluidic platform. Single-cell transcriptional profiling of mixed phenotype acute leukemia using PIP-seq revealed the emergence of heterogeneity within chemotherapy-resistant cell subsets that were hidden by standard immunophenotyping. PIP-seq is a simple, flexible, and scalable next-generation workflow that extends single-cell sequencing to new applications, including screening, diagnostics, and disease monitoring.

Abstract Barcode beads allow efficient nucleic acid tagging in single cell genomics. Current barcode designs, however, are fabricated with a particular application in mind. Repurposing to novel targets, or altering to add additional targets as information is obtained is possible but the result is suboptimal. Here, we describe a modular framework that simplifies generation of multifunctional beads and allows their easy extension to new targets. One Sentence Summary We describe an optimized design for barcoding beads which are useful for single cell RNA and DNA sequencing.

Mixed phenotype acute leukemia (MPAL) is a leukemia whose biologic drivers are poorly understood, therapeutic strategy remains unclear, and prognosis is poor. We performed multiomic single cell (SC) profiling of 14 newly diagnosed adult MPAL patients to characterize the immunophenotypic, genetic, and transcriptional landscapes of MPAL. We show that neither genetic profile nor transcriptome reliably correlate with specific MPAL immunophenotypes. However, progressive acquisition of mutations is associated with increased expression of immunophenotypic markers of immaturity. Using SC transcriptional profiling, we find that MPAL blasts express a stem cell-like transcriptional profile distinct from other acute leukemias and indicative of high differentiation potential. Further, patients with the highest differentiation potential demonstrated inferior survival in our dataset. A gene set score, MPAL95, derived from genes highly enriched in this cohort, is applicable to bulk RNA sequencing data and was predictive of survival in an independent patient cohort, suggesting utility for clinical risk stratification.

The transcriptome and proteome encode distinct information that is important for characterizing heterogeneous biological systems. We demonstrate a method to simultaneously characterize the transcriptomes and proteomes of single cells at high throughput using aptamer probes and droplet-based single cell sequencing. With our method, we differentiate distinct cell types based on aptamer surface binding and gene expression patterns. Aptamers provide advantages over antibodies for single cell protein characterization, including rapid, in vitro, and high-purity generation via SELEX, and the ability to amplify and detect them with PCR and sequencing.