Checkpoint blockade with antibodies specific for the PD-1 and CTLA-4 inhibitory receptors can induce durable responses in a wide range of human cancers. However, the immunological mechanisms responsible for severe inflammatory side effects remain poorly understood. Here we report a comprehensive single-cell analysis of immune cell populations in colitis, a common and severe side effect of checkpoint blockade. We observed a striking accumulation of CD8 T cells with highly cytotoxic and proliferative states and no evidence of regulatory T cell depletion. T cell receptor (TCR) sequence analysis demonstrated that a substantial fraction of colitis-associated CD8 T cells originated from tissue-resident populations, explaining the frequently early onset of colitis symptoms following treatment initiation. Our analysis also identified cytokines, chemokines, and surface receptors that could serve as therapeutic targets for colitis and potentially other inflammatory side effects of checkpoint blockade.

Prognostically relevant RNA expression states exist in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), but our understanding of their drivers, stability, and relationship to therapeutic response is limited.To examine these attributes systematically, we profiled metastatic biopsies and matched organoid models at single-cell resolution.In vivo, we identify a new intermediate PDAC transcriptional cell state and uncover distinct site-and state-specific tumor microenvironments (TMEs).Benchmarking models against this reference map, we reveal strong culture-specific biases in cancer cell transcriptional state representation driven by altered TME signals.We restore expression state heterogeneity by adding back in vivo-relevant factors and show plasticity in culture models.Further, we prove that non-genetic modulation of cell state can strongly influence drug responses, uncovering state-specific vulnerabilities.This work provides a broadly applicable framework for aligning cell states across in vivo and ex vivo settings, identifying drivers of transcriptional plasticity and manipulating cell state to target associated vulnerabilities.

SUMMARY Bulk transcriptomic studies have defined classical and basal-like gene expression subtypes in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) that correlate with survival and response to chemotherapy; however, the underlying mechanisms that govern these subtypes and their heterogeneity remain elusive. Here, we performed single-cell RNA-sequencing of 23 metastatic PDAC needle biopsies and matched organoid models to understand how tumor cell-intrinsic features and extrinsic factors in the tumor microenvironment (TME) shape PDAC cancer cell phenotypes. We identify a novel cancer cell state that co-expresses basal-like and classical signatures, demonstrates upregulation of developmental and KRAS-driven gene expression programs, and represents a transitional intermediate between the basal-like and classical poles. Further, we observe structure to the metastatic TME supporting a model whereby reciprocal intercellular signaling shapes the local microenvironment and influences cancer cell transcriptional subtypes. In organoid culture, we find that transcriptional phenotypes are plastic and strongly skew toward the classical expression state, irrespective of genotype. Moreover, we show that patient-relevant transcriptional heterogeneity can be rescued by supplementing organoid media with factors found in the TME in a subtype-specific manner. Collectively, our study demonstrates that distinct microenvironmental signals are critical regulators of clinically relevant PDAC transcriptional states and their plasticity, identifies the necessity for considering the TME in cancer modeling efforts, and provides a generalizable approach for delineating the cell-intrinsic versus -extrinsic factors that govern tumor cell phenotypes.

Abstract Adenocarcinoma of the lung (LUAD) is a common and highly lethal disease. Clinical grading of disease strongly predicts recurrence and survival after surgery and is determined by morphological assessment of histological growth patterns in resected tumours. The molecular basis of growth pattern is poorly understood at present, as are the mechanisms linking growth pattern to recurrence and death. Interestingly, the two archetypal lethal morphologies, solid and micropapillary patterns, are characterised by their biphasic appearance. Both have an epithelial fraction which is in direct stromal contact, and a fraction which is not. This morphological variance seems likely to represent plasticity, and to be causally linked to mechanisms of virulence. To investigate the gene expression changes related to growth pattern both intra- and intertumoral, we applied spatial transcriptomics (Nanostring GeoMx DSP) to tissue microarray specimens of primary resected human lung adenocarcinoma. Using a variety of region-of-interest (ROI) selection strategies, we sampled 160 pure epithelial ROIs across 7 distinct morphological features of LUAD from 51 patients. Analyses of gene expression reveal fundamental trajectories connecting growth patterns, and crucial modes of plasticity which underly high-risk morphologies. These modes suggest mechanisms for the origins of growth pattern and mechanisms of virulence. Our work highlights dramatic divergence in gene expression programmes between highly lethal but morphologically diverse modes of tumour growth. Furthermore, it provides an explanation for how microscopically localised hypoxia in the primary tumour helps to establish and maintain survival strategies which ultimately determine morphology-specific mechanisms of tumour metastasis, suggesting new therapeutic vulnerabilities.