Abstract Acute myeloid leukemia (AML) and effector cells of immune checkpoint blockade (ICB) therapy co-reside in a complex bone marrow (BM) milieu. The interplay of tumor intrinsic and microenvironment (TME) mechanisms that influences the response to ICB-based therapies in AML have not been elucidated. Here we report our analyses of single cell RNA profiling of more than 127,000 BM cells from healthy donors and relapsed/refractory (R/R) AML patients at pre/post treatment with azacitidine/nivolumab, paired with single cell T cell receptor (TCR) repertoire profiles, to uncover factors impacting response and resistance. Loss of chromosome 7/7q conferred an immunosuppressive TME and was associated with resistance to ICB-based therapy in R/R AML. Our trajectory analysis revealed a continuum of CD8+ T cell phenotypes, characterized by differential expression of granzyme B (GZMB) and GZMK. GZMK expression defined a BM residing memory CD8+ T cell subset with stem-like properties likely an intermediary between naïve and cytotoxic lymphocytes. Responses to ICB-based therapy were primarily driven by novel and expanded T cell clonotypes. Our findings support an adaptable T cell plasticity in response to PD-1 blockade in AML. Disentangling AML cells from their complex, immune-rich microenvironment revealed characteristics that shaped resistance to ICB-based therapy and could inform strategies to target AML vulnerabilities. Significance Determining the cellular and molecular underpinnings of response and resistance to PD-1 blockade based therapy in AML can guide immune-based therapeutic strategies. Our results reveal AML intrinsic characteristics (chromosome 7/7q status and oxidative stressors) and tumor microenvironment to modulate responses to checkpoint blockers. CD8 cells exist in the bone marrow in a continuum with GZMK expression defining a memory, stem-like T cell population that could play a role in response to therapy.

ABSTRACT Little is known of the geospatial architecture of individual cell populations in lung adenocarcinoma (LUAD) evolution. Here, we perform single-cell RNA sequencing of 186,916 cells from 5 early-stage LUADs and 14 multi-region normal lung tissues of defined spatial proximities from the tumors. We show that cellular lineages, states, and transcriptomic features geospatially evolve across normal regions to LUADs. LUADs also exhibit pronounced intratumor cell heterogeneity within single sites and transcriptional lineage-plasticity programs. T regulatory cell phenotypes are increased in normal tissues with proximity to LUAD, in contrast to diminished signatures and fractions of cytotoxic CD8+ T cells, antigen-presenting macrophages and inflammatory dendritic cells. We further find that the LUAD ligand-receptor interactome harbors increased expression of epithelial CD24 which mediates pro-tumor phenotypes. These data provide a spatial atlas of LUAD evolution, and a resource for identification of targets for its treatment. Statement of significance The geospatial ecosystem of the peripheral lung and early-stage LUAD is not known. Our multi-region single-cell sequencing analyses unravel cell populations, states, and phenotypes in the spatial and ecological evolution of LUAD from the lung that comprise high-potential targets for early interception.