Infection with the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) requires the presence of a CD4 receptor and a chemokine receptor, principally chemokine receptor 5 (CCR5). Homozygosity for a 32-bp deletion in the CCR5 allele provides resistance against HIV-1 acquisition. We transplanted stem cells from a donor who was homozygous for CCR5 delta32 in a patient with acute myeloid leukemia and HIV-1 infection. The patient remained without viral rebound 20 months after transplantation and discontinuation of antiretroviral therapy. This outcome demonstrates the critical role CCR5 plays in maintaining HIV-1 infection.

Blood formation is believed to occur through stepwise progression of haematopoietic stem cells (HSCs) following a tree-like hierarchy of oligo-, bi- and unipotent progenitors. However, this model is based on the analysis of predefined flow-sorted cell populations. Here we integrated flow cytometric, transcriptomic and functional data at single-cell resolution to quantitatively map early differentiation of human HSCs towards lineage commitment. During homeostasis, individual HSCs gradually acquire lineage biases along multiple directions without passing through discrete hierarchically organized progenitor populations. Instead, unilineage-restricted cells emerge directly from a 'continuum of low-primed undifferentiated haematopoietic stem and progenitor cells' (CLOUD-HSPCs). Distinct gene expression modules operate in a combinatorial manner to control stemness, early lineage priming and the subsequent progression into all major branches of haematopoiesis. These data reveal a continuous landscape of human steady-state haematopoiesis downstream of HSCs and provide a basis for the understanding of haematopoietic malignancies.

Myelodysplastic syndromes (MDSs) are a heterogeneous group of myeloid neoplasms with defects in hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) and possibly the HSPC niche. Here, we show that patient-derived mesenchymal stromal cells (MDS MSCs) display a disturbed differentiation program and are essential for the propagation of MDS-initiating Lin−CD34+CD38− stem cells in orthotopic xenografts. Overproduction of niche factors such as CDH2 (N-Cadherin), IGFBP2, VEGFA, and LIF is associated with the ability of MDS MSCs to enhance MDS expansion. These factors represent putative therapeutic targets in order to disrupt critical hematopoietic-stromal interactions in MDS. Finally, healthy MSCs adopt MDS MSC-like molecular features when exposed to hematopoietic MDS cells, indicative of an instructive remodeling of the microenvironment. Therefore, this patient-derived xenograft model provides functional and molecular evidence that MDS is a complex disease that involves both the hematopoietic and stromal compartments. The resulting deregulated expression of niche factors may well also be a feature of other hematopoietic malignancies.

ABSTRACT Single-cell genomics has transformed our understanding of complex cellular systems. However, excessive costs and a lack of strategies for the purification of newly identified cell types impede their functional characterization and large-scale profiling. Here, we have generated high content single-cell proteo-genomic reference maps of human blood and bone marrow that quantitatively link the expression of up to 197 surface markers to cellular identities and biological processes across all major hematopoietic cell types in healthy aging and leukemia. These reference maps enable the automatic design of cost-effective high-throughput cytometry schemes that outperform state-of-the-art approaches, accurately reflect complex topologies of cellular systems, and permit the purification of precisely defined cell states. The systematic integration of cytometry and proteo-genomic data enables measuring the functional capacities of precisely mapped cell states at the single-cell level. Our study serves as an accessible resource and paves the way for a data-driven era in cytometry.

Abstract Somatic structural variants (SVs) are widespread in cancer genomes, however, their impact on tumorigenesis and intra-tumour heterogeneity is incompletely understood, since methods to functionally characterize the broad spectrum of SVs arising in cancerous single-cells are lacking. We present a computational method, scNOVA, that couples SV discovery with nucleosome occupancy analysis by haplotype-resolved single-cell sequencing, to systematically uncover SV effects on cis -regulatory elements and gene activity. Application to leukemias and cell lines uncovered SV outcomes at several loci, including dysregulated cancer-related pathways and mono-allelic oncogene expression near SV breakpoints. At the intra-patient level, we identified different yet overlapping subclonal SVs that converge on aberrant Wnt signaling. We also deconvoluted the effects of catastrophic chromosomal rearrangements resulting in oncogenic transcription factor dysregulation. scNOVA directly links SVs to their functional consequences, opening the door for single-cell multiomics of SVs in heterogeneous cell populations.

Abstract Cancer stem cells drive disease progression and relapse in many types of cancer. Despite this, a thorough characterization of these cells remains elusive and with i the ability to eradicate cancer at its source. In acute myeloid leukemia (AML), leukemic stem cells (LSCs) underlie mortality but are difficult to isolate due to their low abundance and high similarity to healthy hematopoietic stem cells (HSCs). Here, we demonstrate that LSCs, HSCs, and pre-leukemic stem cells can be identified and molecularly profiled by combining single-cell transcriptomics with lineage tracing using both nuclear and mitochondrial somatic variants. While mutational status discriminates between healthy and cancerous cells, gene expression distinguishes stem cells and progenitor cell populations. Our approach enables the identification of LSC-specific gene expression programs and the characterization of differentiation blocks induced by leukemic mutations. Taken together, we demonstrate the power of single-cell multi-omic approaches in characterizing cancer stem cells.

The functional impact and cellular context of mosaic structural variants (mSVs) in normal tissues is understudied. Utilizing Strand-seq, we sequenced 1,133 single-cell genomes from 19 human donors of increasing age, and discovered the heterogeneous mSV landscapes of hematopoietic stem and progenitor cells. While mSVs are continuously acquired throughout life, expanded subclones in our cohort are confined to individuals >60. Cells already harboring mSVs are more likely to acquire additional somatic structural variants, including megabase-scale segmental aneuploidies. Capitalizing on comprehensive single-cell micrococcal nuclease digestion with sequencing reference data, we conducted high-resolution cell-typing for eight hematopoietic stem and progenitor cells. Clonally expanded mSVs disrupt normal cellular function by dysregulating diverse cellular pathways, and enriching for myeloid progenitors. Our findings underscore the contribution of mSVs to the cellular and molecular phenotypes associated with the aging hematopoietic system, and establish a foundation for deciphering the molecular links between mSVs, aging and disease susceptibility in normal tissues.