Abstract Neuroblastoma is an embryonal childhood cancer that arises from aberrant development of the neural crest, mostly within the fetal adrenal medulla. It is not established what developmental processes neuroblastoma cancer cells represent. Here, we sought to reveal the phenotype of neuroblastoma cancer cells by comparing cancer (n=16,591) with fetal adrenal single cell transcriptomes (n=57,972). Our principal finding was that the neuroblastoma cancer cell resembled fetal sympathoblasts, but no other fetal adrenal cell type. The sympathoblastic state was a universal feature of neuroblastoma cells, transcending cell cluster diversity, individual patients and clinical phenotypes. We substantiated our findings in 652 neuroblastoma bulk transcriptomes and by integrating canonical features of the neuroblastoma genome with transcriptional signals. Overall, our observations indicate that there exists a pan-neuroblastoma cancer cell state which may be an attractive target for novel therapeutic avenues.

Abstract The cellular transcriptome may provide clues into the differentiation state and origin of human cancer, as tumor cells may retain patterns of gene expression similar to the cell they derive from. Here, we studied the differentiation state and cellular origin of human kidney tumors, by assessing mRNA signals in 1,300 childhood and adult renal tumors, spanning seven different tumor types. Using single cell mRNA reference maps of normal tissues generated by the Human Cell Atlas project, we measured the abundance of reference “cellular signals” in each tumor. Quantifying global differentiation states, we found that, irrespective of tumor type, childhood tumors exhibited fetal cellular signals, thus replacing the long-held presumption of “fetalness” with a precise, quantitative readout of immaturity. By contrast, in adult cancers our assessment refuted the suggestion of dedifferentiation towards a fetal state in the overwhelming majority of cases, with the exception of lethal variants of clear cell renal cell carcinoma. Examining the specific cellular phenotype of each tumor type revealed an intimate connection between the different mesenchymal populations of the developing kidney and childhood renal tumors, whereas adult tumors mostly represented specific mature tubular cell types. RNA signals of each tumor type were remarkably uniform and specific, indicating a possible therapeutic and diagnostic utility. We demonstrated this utility with a case study of a cryptic renal tumor. Whilst not classifiable by clinical pathological work-up, mRNA signals revealed the diagnosis. Our findings provide a cellular definition of human renal tumors through an approach that is broadly applicable to human cancer.

Abstract Infant B-cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) has not followed the increasing trend towards cure seen in other childhood B-ALLs. The prognosis for infants with KMT2A gene fusions is especially poor, and the origins of this aggressive leukemia remain unknown. Here, we investigated the developmental state of KMT2A -rearranged infant B-ALL within hematopoietic hierarchies of human fetal bone marrow, using bulk mRNA meta-analysis of childhood leukemia and examination of single lymphoblast transcriptomes. KMT2A -rearranged infant B-ALL was uniquely dominated by an early lymphocyte precursor (ELP) state. Direct comparison of infant lymphoblasts with ELP cells distilled the core oncogenic transcriptome of cancer cells which harboured potentially targetable hybrid myeloid-lymphoid features. Overall our quantitative molecular analyses demonstrate a distinct developmental state of KMT2A -rearranged infant B-ALL.

Abstract As normal cells transform into cancers, their cell state changes (or “dedifferentiates”), which may drive cancer cells into a stem-like or more primordial, foetal or embryonic cell state. Here, we used single cell atlases to study dedifferentiation in transcriptional terms across a wide spectrum of adult and childhood cancers. At the level of the whole transcriptome, we find that adult cancers rarely return to an embryonic state, but rather that a foetal state is a near-universal feature of childhood cancers. We extend these bulk transcriptomic findings to a single cell resolution analysis of colorectal and liver cancers, confirming the lack of reversion to a primordial state in adult tumours and the retention of foetal signals in childhood cancers. Our findings provide a nuanced picture of dedifferentiation in these two groups of neoplasms, indicating cancer-specific rather than universal patterns of dedifferentiation pervade adult epithelial cancers.

Abstract WT1 encodes a podocyte transcription factor whose variants can cause an untreatable glomerular disease in early childhood. Although WT1 regulates many podocyte genes, it is poorly understood which of them are initiators in disease and how they subsequently influence other cell‐types in the glomerulus. We hypothesised that this could be resolved using single‐cell RNA sequencing (scRNA‐seq) and ligand‐receptor analysis to profile glomerular cell–cell communication during the early stages of disease in mice harbouring an orthologous human mutation in WT1 ( Wt1 R394W/+ ). Podocytes were the most dysregulated cell‐type in the early stages of Wt1 R394W/+ disease, with disrupted angiogenic signalling between podocytes and the endothelium, including the significant downregulation of transcripts for the vascular factors Vegfa and Nrp1. These signalling changes preceded glomerular endothelial cell loss in advancing disease, a feature also observed in biopsy samples from human WT1 glomerulopathies. Addition of conditioned medium from murine Wt1 R394W/+ primary podocytes to wild‐type glomerular endothelial cells resulted in impaired endothelial looping and reduced vascular complexity. Despite the loss of key angiogenic molecules in Wt1 R394W/+ podocytes, the pro‐vascular molecule adrenomedullin was upregulated in Wt1 R394W/+ podocytes and plasma and its further administration was able to rescue the impaired looping observed when glomerular endothelium was exposed to Wt1 R394W/+ podocyte medium. In comparative analyses, adrenomedullin upregulation was part of a common injury signature across multiple murine and human glomerular disease datasets, whilst other gene changes were unique to WT1 disease. Collectively, our study describes a novel role for altered angiogenic signalling in the initiation of WT1 glomerulopathy. We also identify adrenomedullin as a proangiogenic factor, which despite being upregulated in early injury, offers an insufficient protective response due to the wider milieu of dampened vascular signalling that results in endothelial cell loss in later disease. © 2024 The Author(s). The Journal of Pathology published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of The Pathological Society of Great Britain and Ireland.

Abstract The glomerulus mediates kidney ultrafiltration through specialised epithelial cells called podocytes which line a basement membrane shared with blood capillary endothelium. Cell-cell crosstalk is critical for glomerular function, but its investigation in childhood glomerular diseases has received little attention. WT1 encodes a transcription factor expressed in podocytes, whose heterozygous variants cause devastating kidney disease in childhood. We used single-cell RNA sequencing and ligand-receptor interaction analysis to resolve the glomerular transcriptional landscape of mice that carry an orthologous human mutation in WT1 ( Wt1 R394W/+ ). Podocytes were the most dysregulated cell type in early disease, with disrupted angiogenic signalling preceding glomerular capillary loss. Comparative analyses with additional murine and human glomerular disease datasets identified unique transcriptional changes in WT1 glomerular disease, reflecting a non-immunological pathology, whilst revealing a common injury signature across multiple glomerular diseases. Collectively, this work advocates vascular-based therapies over immunosuppressive drugs in the treatment of WT1 glomerular disease.