Large panels of comprehensively characterized human cancer models, including the Cancer Cell Line Encyclopedia (CCLE), have provided a rigorous framework with which to study genetic variants, candidate targets, and small-molecule and biological therapeutics and to identify new marker-driven cancer dependencies. To improve our understanding of the molecular features that contribute to cancer phenotypes, including drug responses, here we have expanded the characterizations of cancer cell lines to include genetic, RNA splicing, DNA methylation, histone H3 modification, microRNA expression and reverse-phase protein array data for 1,072 cell lines from individuals of various lineages and ethnicities. Integration of these data with functional characterizations such as drug-sensitivity, short hairpin RNA knockdown and CRISPR–Cas9 knockout data reveals potential targets for cancer drugs and associated biomarkers. Together, this dataset and an accompanying public data portal provide a resource for the acceleration of cancer research using model cancer cell lines. The original Cancer Cell Line Encyclopedia (CCLE) is expanded with deeper characterization of over 1,000 cell lines, including genomic, transcriptomic, and proteomic data, and integration with drug-sensitivity and gene-dependency data.

Dendritic cells (DCs) and monocytes play a central role in pathogen sensing, phagocytosis, and antigen presentation and consist of multiple specialized subtypes. However, their identities and interrelationships are not fully understood. Using unbiased single-cell RNA sequencing (RNA-seq) of ~2400 cells, we identified six human DCs and four monocyte subtypes in human blood. Our study reveals a new DC subset that shares properties with plasmacytoid DCs (pDCs) but potently activates T cells, thus redefining pDCs; a new subdivision within the CD1C+ subset of DCs; the relationship between blastic plasmacytoid DC neoplasia cells and healthy DCs; and circulating progenitor of conventional DCs (cDCs). Our revised taxonomy will enable more accurate functional and developmental analyses as well as immune monitoring in health and disease.

Summary

 Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous disease that resides within a complex microenvironment, complicating efforts to understand how different cell types contribute to disease progression. We combined single-cell RNA sequencing and genotyping to profile 38,410 cells from 40 bone marrow aspirates, including 16 AML patients and five healthy donors. We then applied a machine learning classifier to distinguish a spectrum of malignant cell types whose abundances varied between patients and between subclones in the same tumor. Cell type compositions correlated with prototypic genetic lesions, including an association of FLT3-ITD with abundant progenitor-like cells. Primitive AML cells exhibited dysregulated transcriptional programs with co-expression of stemness and myeloid priming genes and had prognostic significance. Differentiated monocyte-like AML cells expressed diverse immunomodulatory genes and suppressed T cell activity in vitro. In conclusion, we provide single-cell technologies and an atlas of AML cell states, regulators, and markers with implications for precision medicine and immune therapies. 

Video Abstract

Elke Stein, Andrew A. Lane, Douglas Pat Cerretti, Harald O. Schoecklmann, Alfred D. Schroff, Robert L. Van Etten, and Thomas O. Daniel Departments of Cell Biology, Pharmacology, and Medicine and the Vanderbilt Cancer Center, Vanderbilt University Medical Center, Nashville, Tennessee 37232 USA; Immunex Corporation, Seattle, Washington 98101 USA; University of Erlangen-Nurnberg, D-91054 Erlangen, Germany, Department of Chemistry, Purdue University, West Lafayette, Indiana 47907-1393 USA

Key Points AITL is characterized by high frequencies of overlapping mutations in epigenetic modifiers, including TET2, IDH2, and DNMT3A. Targetable mutations are present in a subset of cases.

There is a striking and unexplained male predominance across many cancer types. A subset of X-chromosome genes can escape X-inactivation, which would protect females from complete functional loss by a single mutation. To identify putative 'escape from X-inactivation tumor-suppressor' (EXITS) genes, we examined somatic alterations from >4,100 cancers across 21 tumor types for sex bias. Six of 783 non-pseudoautosomal region (PAR) X-chromosome genes (ATRX, CNKSR2, DDX3X, KDM5C, KDM6A, and MAGEC3) harbored loss-of-function mutations more frequently in males (based on a false discovery rate < 0.1), in comparison to zero of 18,055 autosomal and PAR genes (Fisher's exact P < 0.0001). Male-biased mutations in genes that escape X-inactivation were observed in combined analysis across many cancers and in several individual tumor types, suggesting a generalized phenomenon. We conclude that biallelic expression of EXITS genes in females explains a portion of the reduced cancer incidence in females as compared to males across a variety of tumor types.

Tumours most often arise from progression of precursor clones within a single anatomical niche. In the bone marrow, clonal progenitors can undergo malignant transformation to acute leukaemia, or differentiate into immune cells that contribute to disease pathology in peripheral tissues1-4. Outside the marrow, these clones are potentially exposed to a variety of tissue-specific mutational processes, although the consequences of this are unclear. Here we investigate the development of blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasm (BPDCN)-an unusual form of acute leukaemia that often presents with malignant cells isolated to the skin5. Using tumour phylogenomics and single-cell transcriptomics with genotyping, we find that BPDCN arises from clonal (premalignant) haematopoietic precursors in the bone marrow. We observe that BPDCN skin tumours first develop at sun-exposed anatomical sites and are distinguished by clonally expanded mutations induced by ultraviolet (UV) radiation. A reconstruction of tumour phylogenies reveals that UV damage can precede the acquisition of alterations associated with malignant transformation, implicating sun exposure of plasmacytoid dendritic cells or committed precursors during BPDCN pathogenesis. Functionally, we find that loss-of-function mutations in Tet2, the most common premalignant alteration in BPDCN, confer resistance to UV-induced cell death in plasmacytoid, but not conventional, dendritic cells, suggesting a context-dependent tumour-suppressive role for TET2. These findings demonstrate how tissue-specific environmental exposures at distant anatomical sites can shape the evolution of premalignant clones to disseminated cancer.

Abstract Reconstructing lineage relationships in complex tissues can reveal mechanisms underlying development and disease. Recent methods combine single-cell transcriptomics with mitochondrial DNA variant detection to establish lineage relationships in primary human cells, but are not scalable to interrogate complex tissues. To overcome this limitation, here we develop a technology for high-confidence detection of mitochondrial mutations from high-throughput single-cell RNA-sequencing. We use the new method to identify skewed immune cell expansions in primary human clonal hematopoiesis.

ABSTRACT Blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasm (BPDCN) is an aggressive leukemia of plasmacytoid dendritic cells (pDCs). BPDCN occurs at least three times more frequently in men than women, but the reasons for this sex bias are unknown. Here, studying genomics of primary BPDCN and modeling disease-associated mutations, we link acquired alterations in RNA splicing to abnormal pDC development and inflammatory response through Toll-like receptors. Loss-of-function mutations in ZRSR2, an X chromosome gene encoding a splicing factor, are enriched in BPDCN and nearly all mutations occur in males. ZRSR2 mutation impairs pDC activation and apoptosis after inflammatory stimuli, associated with intron retention and inability to upregulate the transcription factor IRF7. In vivo, BPDCN-associated mutations promote pDC expansion and signatures of decreased activation. These data support a model in which male-biased mutations in hematopoietic progenitors alter pDC function and confer protection from apoptosis, which may impair immunity and predispose to leukemic transformation. STATEMENT OF SIGNIFICANCE Sex bias in cancer is well recognized but the underlying mechanisms are incompletely defined. We connect X chromosome mutations in ZRSR2 to an extremely male-predominant leukemia. Aberrant RNA splicing induced by ZRSR2 mutation impairs dendritic cell inflammatory signaling, interferon production, and apoptosis, revealing a sex- and lineage-related tumor suppressor pathway.

Abstract The immune system represents a major barrier to cancer progression, driving the evolution of immunoregulatory interactions between malignant cells and T-cells in the tumor environment. Blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasms (BPDCN), a rare acute leukemia with plasmacytoid dendritic cell (pDC) differentiation, provides a unique opportunity to study these interactions. pDCs are key producers of interferon alpha (IFNA) that play an important role in T-cell activation at the interface between the innate and adaptive immune system. To assess how uncontrolled proliferation of malignant BPDCN cells affects the tumor environment, we catalog immune cell heterogeneity in the bone marrow (BM) of five healthy controls and five BPDCN patients by analyzing 52,803 single-cell transcriptomes, including 18,779 T-cells. We test computational techniques for robust cell type classification and find that T-cells in BPDCN patients consistently upregulate interferon alpha (IFNA) response and downregulate tumor necrosis factor alpha (TNFA) pathways. Integrating transcriptional data with T-cell receptor sequencing via shared barcodes reveals significant T-cell exhaustion in BPDCN that is positively correlated with T-cell clonotype expansion. By highlighting new mechanisms of T-cell exhaustion and immune evasion in BPDCN, our results demonstrate the value of single-cell multiomics to understand immune cell interactions in the tumor environment.