More diversity at the top A detailed knowledge of cell differentiation hierarchies is important for understanding diverse biological processes such as organ development, tissue regeneration, and cancer. Single-cell RNA sequencing can help elucidate these hierarchies, but it requires reliable computational methods for predicting cell lineage trajectories. Gulati et al. developed CytoTRACE, a computational framework based on the simple observation that transcriptional diversity—the number of genes expressed in a cell—decreases during differentiation. CytoTRACE outperformed other methods in several test cases and was successfully applied to study cellular hierarchies in healthy and tumor tissue. Science , this issue p. 405

SUMMARY Metastasis is responsible for the majority of breast cancer-related deaths, however identifying the cellular determinants of metastasis has remained challenging. Here, we identified a minority population of immature THY1 + / VEGFA + tumor epithelial cells in human breast tumor biopsies that display angiogenic features and are marked by the expression of the oncogene, LMO2 . Higher abundance of LMO2 + basal cells correlated with tumor endothelial content and predicted poor distant recurrence-free survival in patients. Using MMTV-PyMT/Lmo2 CreERT2 mice, we demonstrated that Lmo2 lineage- traced cells have a higher propensity to metastasize. LMO2 knockdown in human breast tumors reduced lung metastasis by impairing intravasation, leading to a reduced frequency of circulating tumor cells. Mechanistically, we find that LMO2 binds to STAT3 and is required for STAT3 activation by TNFα and IL6. Collectively, our study identifies a population of metastasis-initiating cells with angiogenic features and establishes the LMO2-STAT3 signaling axis as a therapeutic target in breast cancer metastasis. One sentence summary LMO2 modulates STAT3 signaling in breast cancer metastasis.

Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) is a powerful approach for reconstructing cellular differentiation trajectories. However, inferring both the state and direction of differentiation without prior knowledge has remained challenging. Here we describe a simple yet robust determinant of developmental potential—the number of detectably expressed genes per cell—and leverage this measure of transcriptional diversity to develop a new framework for predicting ordered differentiation states from scRNA-seq data. When evaluated on ~150,000 single-cell transcriptomes spanning 53 lineages and five species, our approach, called CytoTRACE, outperformed previous methods and ~19,000 molecular signatures for resolving experimentally-confirmed developmental trajectories. In addition, it enabled unbiased identification of tissue-resident stem cells, including cells with long-term regenerative potential. When used to analyze human breast tumors, we discovered candidate genes associated with less-differentiated luminal progenitor cells and validated GULP1 as a novel gene involved in tumorigenesis. Our study establishes a key RNA-based correlate of developmental potential and provides a new platform for robust delineation of cellular hierarchies (https://cytotrace.stanford.edu).

ABSTRACT Aging increases breast cancer risk while an early first pregnancy reduces a woman’s life-long risk. Several studies have explored the effect of either aging or pregnancy on mammary epithelial cells (MECs), but the combined effect of both remains unclear. Here, we interrogate the functional and transcriptomic changes at single cell resolution in the mammary gland of aged nulliparous and parous mice to discover that pregnancy normalizes age-related imbalances in lineage composition, while also inducing a differentiated cell state. Importantly, we uncover a minority population of Il33 -expressing hybrid MECs with high cellular potency that accumulate in aged nulliparous mice but is significantly reduced in aged parous mice. Functionally, IL33 treatment of basal, but not luminal, epithelial cells from young mice phenocopies aged nulliparous MECs and promotes formation of organoids with Trp53 knockdown. Collectively, our study demonstrates that pregnancy blocks the age-associated loss of lineage integrity in the basal layer through a decrease in Il33+ hybrid MECs, potentially contributing to pregnancy-induced breast cancer protection.