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 Childhood-onset asthma is characterized by Type 2-inflammation and airway wall remodeling, but mechanisms of asthma development in the first years of life remain unclear. Here, we investigate transcriptional changes in airway wall biopsies of 22 symptomatic one year old children and relate these to asthma at school age. We demonstrate that pre-asthmatic children (n = 10) overexpressed a gene signature characteristic for an airway epithelial differentiation trajectory via hillock cells towards squamous cells (adjusted p-value 8.06e-16), whilst there was no association with gene signatures of Type 2-inflammation or eosinophil activation. Genes expressed along this trajectory are linked to an altered epithelial barrier function, innate immune activation and extracellular matrix remodeling. Functional GWAS analysis supports a causal link between childhood-onset, but not adult-onset asthma, and the hillock-squamous cell differentiation trajectory. Next, we confirmed the presence of hillock-like cells at the RNA and protein level in pediatric upper and lower airway samples. These findings identify a novel mechanism by which an aberrant airway epithelial differentiation trajectory may contribute to a pre-asthmatic state, highlighting the difference between the early origins of childhood-onset asthma and adult asthma, and point to possible new targets for the early diagnosis and treatment of asthma in the first two years of life. One Sentence Summary RNA sequencing in bronchial biopsies from wheezing infants and children < 2 years shows evidence for an airway epithelial hillock-to-squamous differentiation pathway that marks the development of asthma.

Much of the heredity of melanoma remains unexplained. Using an unbiased whole genome screening approach for copy number we identify here a novel melanoma predisposing factor, familial duplications of gene PPP2R3B, encoding a regulatory unit of critical phosphatase PP2A. Significant correlation between expression of PPP2R3B in tumour tissue and survival in a large melanoma cohort was confirmed, and demonstrated to be via a non-immunological mechanism. Mechanistically, construction and extensive characterization of a stable, inducible cellular model for PPP2R3B overexpression revealed induction of pigment cell switching towards proliferation and away from migration. Importantly, this was independent of the known microphthalmia-associated transcription factor (MITF)-controlled pigment cell phenotype switch, and was instead driven by uncharacterised gene C21orf91. Bioinformatic studies point to C21orf91 as a novel target of MITF, and therefore a missing hub in the control of phenotype switching in melanoma.

ABSTRACT Clinical investigations of human fetuses have revealed that placentas occasionally harbour chromosomal aberrations that are absent from the fetus 1 . The basis of this genetic segregation of the placenta, termed confined placental mosaicism, remains unknown. Here, we investigated the phylogeny of human placentas reconstructed from somatic mutations, using whole genome sequencing of 86 placental biopsies and of 106 microdissections. We found that every placental biopsy represented a clonal expansion that is genetically distinct. Biopsies exhibited a genomic landscape akin to childhood cancer, in terms of mutation burden and mutational imprints. Furthermore, unlike any other human normal tissue studied to date, placental genomes commonly harboured copy number changes. Reconstructing phylogenetic relationships between tissues from the same pregnancy, revealed that developmental bottlenecks confined placental tissues, by separating trophectodermal from inner cell mass-derived lineages. Of particular note were cases in which inner cell mass-derived and placental lineages fully segregated within a few cell divisions of the zygote. Such early embryonic bottlenecks may enable the normalisation of zygotic aneuploidy. We observed direct evidence for this in a case of mosaic trisomic rescue. Our findings reveal cancer-like mutagenesis in placental tissues and portray confined mosaicism as the normal outcome of placental development.