Abstract During wound healing in adult mouse skin, hair follicles and then adipocytes regenerate. Adipocytes regenerate from myofibroblasts, a specialized contractile wound fibroblast. Here we study wound fibroblast diversity using single-cell RNA-sequencing. On analysis, wound fibroblasts group into twelve clusters. Pseudotime and RNA velocity analyses reveal that some clusters likely represent consecutive differentiation states toward a contractile phenotype, while others appear to represent distinct fibroblast lineages. One subset of fibroblasts expresses hematopoietic markers, suggesting their myeloid origin. We validate this finding using single-cell western blot and single-cell RNA-sequencing on genetically labeled myofibroblasts. Using bone marrow transplantation and Cre recombinase-based lineage tracing experiments, we rule out cell fusion events and confirm that hematopoietic lineage cells give rise to a subset of myofibroblasts and rare regenerated adipocytes. In conclusion, our study reveals that wounding induces a high degree of heterogeneity among fibroblasts and recruits highly plastic myeloid cells that contribute to adipocyte regeneration.

Myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) are innate immune cells that acquire the capacity to suppress adaptive immune responses during cancer. It remains elusive how MDSCs differ from their normal myeloid counterparts, which limits our ability to specifically detect and therapeutically target MDSCs during cancer. Here, we sought to determine the molecular features of breast cancer-associated MDSCs using the widely studied mouse model based on the mouse mammary tumor virus (MMTV) promoter-driven expression of the polyomavirus middle T oncoprotein (MMTV-PyMT). To identify MDSCs in an unbiased manner, we used single-cell RNA sequencing to compare MDSC-containing splenic myeloid cells from breast tumor-bearing mice with wild-type controls. Our computational analysis of 14,646 single-cell transcriptomes revealed that MDSCs emerge through an aberrant neutrophil maturation trajectory in the spleen that confers them an immunosuppressive cell state. We establish the MDSC-specific gene signature and identify CD84 as a surface marker for improved detection and enrichment of MDSCs in breast cancers.

Abstract Breast cancer arises from breast epithelial cells that acquire genetic alterations leading to subsequent loss of tissue homeostasis. Several distinct epithelial subpopulations have been proposed, but complete understanding of the spectrum of heterogeneity and differentiation hierarchy in the human breast remains elusive. Here, we use single-cell mRNA sequencing (scRNAseq) to profile the transcriptomes of 25,790 primary human breast epithelial cells isolated from reduction mammoplasties of seven individuals. Unbiased clustering analysis reveals the existence of three distinct epithelial cell populations, one basal and two luminal cell types, which we identify as secretory L1- and hormone-responsive L2-type cells. Pseudotemporal reconstruction of differentiation trajectories produces one continuous lineage hierarchy that closely connects the basal lineage to the two differentiated luminal branches. Our comprehensive cell atlas provides insights into the cellular blueprint of the human breast epithelium and will form the foundation to understand how the system goes awry during breast cancer.

Abstract Metastasis is a fatal disease where research progress has been hindered by a lack of authentic experimental models. Here, we develop a 3D tumor sphere culture-transplant system that facilitates the expansion and engineering of patient-derived xenograft (PDX) tumor cells for functional metastasis assays in vivo . Orthotopic transplantation and RNA sequencing analyses show that PDX tumor spheres maintain tumorigenic potential, and the molecular marker and global transcriptome signatures of native tumor cells. Tumor spheres display robust capacity for lentiviral engineering and dissemination in spontaneous and experimental metastasis assays in vivo . Inhibition of pathways previously reported to attenuate metastasis also inhibit metastasis after sphere culture, validating our approach for authentic investigations of metastasis. Finally, we demonstrate a new role for the metabolic enzyme NME1 in promoting breast cancer metastasis, providing proof-of-principle that our culture-transplant system can be used for authentic propagation and engineering of patient tumor cells for functional studies of metastasis.

Summary Women with germline mutations in BRCA1 (BRCA1 +/mut ) have increased risk for developing hereditary breast cancer 1, 2 . Cancer initiation in BRCA1 +/mut is associated with pre-malignant changes in the breast epithelium including altered differentiation 3–5 , proliferative stress 6 and genomic instability 7 . However, the role of the epithelium- associated stromal niche during BRCA1-driven tumor initiation remains unclear. Here, we show that the pre-malignant stromal niche promotes epithelial proliferation and BRCA1- driven cancer initiation in trans . Using single-cell RNAseq (scRNAseq) analysis of human pre-neoplastic BRCA1 +/mut and control breast tissues, we show that stromal cells provide numerous pro-proliferative paracrine signals inducing epithelial proliferation. We identify a subpopulation of pre-cancer associated fibroblasts (pre-CAFs) that produces copious amounts of pro-tumorigenic factors including matrix metalloproteinase 3 (MMP3) 8, 9 , and promotes BRCA1-driven tumorigenesis in vivo . Our gene-signature analysis and mathematical modeling of epithelial differentiation reveals that stromal-induced proliferation leads to the accumulation of luminal progenitor cells with altered differentiation, and thus contributes to increased breast cancer risk in BRCA1 +/mut . Our results demonstrate how alterations in cell-cell communication can induce imbalances in epithelial homeostasis ultimately leading to cancer initiation. We anticipate our results to form the foundation for novel disease monitoring and therapeutic strategies to improve patient management in hereditary breast cancer. For example, pre-CAF specific proteins may serve as biomarkers for pre-cancerous disease initiation to inform whether radical bilateral mastectomy is needed. In addition, MMP inhibitors could be re-indicated for primary cancer prevention treatment in women with high-risk BRCA1 mutations.

Myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) are innate immune cells that acquire the capacity to suppress adaptive immune responses during cancer. It remains elusive how MDSCs differ from their normal myeloid counterparts, which limits our ability to specifically detect and therapeutically target MDSCs during cancer. Here, we used single-cell RNAseq to compare MDSC-containing splenic myeloid cells from breast tumor-bearing mice to wildtype controls. Our computational analysis of 14,646 single-cell transcriptomes reveals that MDSCs emerge through a previously unrealized aberrant neutrophil maturation trajectory in the spleen giving rise to a unique chemokine-responsive, immunosuppressive cell state that strongly differs from normal myeloid cells. We establish the first MDSC-specific gene signature and identify novel surface markers for improved detection and enrichment of MDSCs in murine and human samples. Our study provides the first single-cell transcriptional map defining the development of MDSCs, which will ultimately enable us to specifically target these cells in cancer patients.