Abstract Single nuclei analysis is allowing robust classification of cell types in an organ that helps to establish relationships between cell-type specific gene expression and chromatin accessibility status of gene regulatory regions. Using breast tissues of 92 healthy donors of various genetic ancestry, we have developed a comprehensive chromatin accessibility and gene expression atlas of human breast tissues. Integrated analysis revealed 10 distinct cell types in the healthy breast, which included three major epithelial cell subtypes (luminal hormone sensing, luminal adaptive secretory precursor, and basal-myoepithelial cells), two endothelial subtypes, two adipocyte subtypes, fibroblasts, T-cells, and macrophages. By integrating gene expression signatures derived from epithelial cell subtypes with spatial transcriptomics, we identify specific gene expression differences between lobular and ductal epithelial cells and age-associated changes in epithelial cell gene expression patterns and signaling networks. Among various cell types, luminal adaptive secretory cells and fibroblasts showed genetic ancestry dependent variability. A subpopulation of luminal adaptive secretory cells with alveolar progenitor (AP) cell state were enriched in Indigenous American (IA) ancestry and fibroblast populations were distinct in African ancestry. ESR1 expression pattern was distinctly different in cells from IA compared to the rest, with a high level of ESR1 expression extending to AP cells and crosstalk between growth factors and Estrogen Receptor signaling being evident in these AP cells. In general, cell subtype-specific gene expression did not uniformly correlate with cell-specific chromatin accessibility, suggesting that transcriptional regulation independent of chromatin accessibility governs cell type-specific gene expression in the breast.

Genetic approaches in Drosophila have successfully identified many genes involved in regulation of growth control as well as genetic interactions relevant to the initiation and progression of cancer in vivo. Here, we report on large-scale RNAi-based screens to identify potential tumor suppressor genes that interact with known cancer-drivers: The Epidermal Growth Factor Receptor and the Hippo pathway transcriptional cofactor Yorkie. These screens were designed to identify genes whose depletion drove tissue expressing EGFR or Yki from a state of benign overgrowth into neoplastic transformation in vivo. We also report on an independent screen aimed to identify genes whose depletion suppressed formation of neoplastic tumors in an existing EGFR-dependent neoplasia model. Many of the positives identified here are known to be functional in growth control pathways. We also find a number of novel connections to Yki and EGFR driven tissue growth, mostly unique to one of the two. Thus, resources provided here would be useful to all researchers who study negative regulators of growth in the context of activated EGFR and/or Yki and positive regulators of growth in the context of activated EGFR.

Abstract Single cell transcriptomics studies have begun to identify breast epithelial cell and stromal cell specific transcriptome differences between BRCA1/2 mutation carriers and non-carriers. We generated a single cell transcriptome atlas of breast tissues from BRCA1, BRCA2 mutation carriers and compared this single cell atlas of mutation carriers with our previously described single cell breast atlas of healthy non-carriers. We observed that BRCA1 but not BRCA2 mutations altered the ratio between basal, luminal progenitor and mature luminal cells in breast tissues. A unique subcluster of cells within luminal progenitors is underrepresented in case of BRCA1 and BRCA2 mutation carriers compared to non-carriers. Both BRCA1 and BRCA2 mutations specifically altered transcriptomes in epithelial cells which are an integral part of NF-κB, LARP1, and MYC signaling. Reduction of MYC signaling and translational machinery in BRCA1/2 mutant epithelial cells is reminiscent of embryonic diapause-like adaptation that occurs in drug tolerant populations of cells. Signaling pathway alterations in epithelial cells unique to BRCA1 mutations included STAT3, BRD4, SMARCA4, HIF2A/EPAS1, and Inhibin-A signaling. BRCA2 mutations were associated with upregulation of IL-6, PDK1, FOXO3, and TNFSF11 signaling. These signaling pathway alterations are sufficient to alter sensitivity of BRCA1/BRCA2-mutant breast epithelial cells to transformation as epithelial cells from BRCA1 mutation carriers overexpressing hTERT + PIK3CA H1047R generated adenocarcinomas, whereas similarly modified mutant BRCA2 cells generated basal carcinomas in NSG mice. Thus, our studies provide a high-resolution transcriptome atlas of breast epithelial cells of BRCA1 and BRCA2 mutation carriers and reveal their susceptibility to PIK3CA mutation-driven transformation. Statement of Significance This study provides a single cell atlas of breast tissues of BRCA1/2 mutation carriers and demonstrates that aberrant signaling due to BRCA1/2 mutations sufficient to initiate breast cancer by mutant PIK3CA.