Experimental and computational analyses identify multiple cell populations during the epithelial-to-mesenchymal transition.

Tumour behaviour is dependent on the oncogenic properties of cancer cells and their multi-cellular interactions. These dependencies were examined through 270,000 single cell transcriptomes and 100 micro-dissected whole exomes obtained from 12 patients with kidney tumours. Tissue was sampled from multiple regions of tumour core, tumour-normal interface, normal surrounding tissues, and peripheral blood. We found the principal spatial location of CD8+ T cell clonotypes largely defined exhaustion state, with clonotypic heterogeneity not explained by somatic intra-tumoural heterogeneity. De novo mutation calling from single cell RNA sequencing data allows us to lineage-trace and infer clonality of cells. We discovered six meta-programmes that distinguish tumour cell function. An epithelial-mesenchymal transition meta-programme, enriched at the tumour-normal interface appears modulated through macrophage expressed IL1B, potentially forming a therapeutic target.

Abstract Characterization of somatic mutations at single-cell resolution is essential to study cancer evolution, clonal mosaicism, and cell plasticity. However, detection of mutations in single cells remains technically challenging. Here, we describe SComatic, an algorithm designed for the detection of somatic mutations in single-cell transcriptomic and ATAC-seq data sets without requiring matched bulk or single-cell DNA sequencing data. Using >1.5M single cells from 383 single-cell RNAseq and single-cell ATAC-seq data sets spanning cancer and non-neoplastic samples, we show that SComatic detects mutations in single cells, even in differentiated cells from polyclonal tissues not amenable to mutation detection using existing methods. In addition, SComatic permits the estimation of mutational burdens and de novo mutational signature analysis at single-cell and cell-type resolution. Notably, using matched exome and single-cell RNAseq data, we show that SComatic achieves a 20 to 40-fold increase in precision as compared to existing algorithms for somatic SNV calling without compromising sensitivity. Overall, SComatic opens the possibility to study somatic mutagenesis at unprecedented scale and resolution using high-throughput single-cell profiling data sets.

The evolution of martensite and the tensile deformation behavior of Ti-7333 alloy with different β grain size was studied. It is found that the β grain size (45–260 μm) significantly affects the triggering stress of stress-induced α″ martensite (SIMα″), and then affects the distribution and morphology of α″ martensite. At the initial stage of deformation, the larger β grain can inhibit the stress-induced secondary α″ martensitic transformation and the formation of α″ twinning. While under the same strain, the stress-induced martensite and martensite twinning can be activated simultaneously in the alloy with the smaller β grain, including {111}α″ type Ⅰ twinning, {130}<310>α″ compound twinning, <211>α″ type Ⅱ twinning, {021}<512>α″ type Ⅱ twinning, which can effectively accommodate localized strains and improve the work hardening rate of Ti-7333 alloy. When the β grain size varies in the range of 45–84 μm, there is a higher work hardening plateau in the deformation stage II of Ti-7333 alloy. The yield strength and β grain size are in accordance with the Hall-Petch relation. As the grain size increases to 128 even to 260 μm, the work hardening rate continues to decrease and the yield strength inversely increases. It is demonstrated that the triggering stress for SIMα″ exhibits U-shaped fluctuations as β grain size increases, and the inflection point of Ti-7333 alloy is between 84 μm and 260 μm.

Cutaneous T-cell lymphoma (CTCL) is a potentially fatal clonal malignancy of T cells primarily affecting the skin. The most common form of CTCL, mycosis fungoides (MF), can be difficult to diagnose resulting in treatment delay. The pathogenesis of CTCL is not fully understood due to limited data from patient studies. We performed single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics profiling of skin from patients with MF-type CTCL, and an integrated comparative analysis with human skin cell atlas datasets from healthy skin, atopic dermatitis and psoriasis. We reveal the co-optation of Th2-immune gene programmes by malignant CTCL cells and modelling of the tumour microenvironment to support their survival. We identify MHC-II+ fibroblast subsets reminiscent of lymph node T-zone reticular cells and monocyte-derived dendritic cells that can maintain Th2-like tumour cells. CTCL Th2-like tumour cells are spatially associated with B cells, forming aggregates reminiscent of tertiary lymphoid structures which are more prominent with progressive disease. Finally, we validated the enrichment of B cells in CTCL skin infiltrates and its association with disease progression across three independent patient cohorts. Our findings provide diagnostic aids, potential biomarkers for disease staging and therapeutic strategies for CTCL.

Abstract Bone and joint formation in the developing skeleton rely on co-ordinated differentiation of progenitors in the nascent developing limbs and joints. The cell states, epigenetic processes and key regulatory factors underlying their lineage commitment to osteogenic and other mesenchymal populations during ossification and joint formation remain poorly understood and are largely unexplored in human studies. Here, we apply paired single-nuclei transcriptional and epigenetic profiling of 336,000 droplets, in addition to spatial transcriptomics, to construct a comprehensive atlas of human bone, cartilage and joint development in the shoulder, hip, knee and cranium from 5 to 11 post-conception weeks. Spatial mapping of cell clusters to our highly multiplexed in situ sequencing (ISS) data using our newly developed tool ISS-Patcher revealed new cellular mechanisms of zonation during bone and joint formation. Combined modelling of chromatin accessibility and RNA expression allowed the identification of the transcriptional and epigenetic regulatory landscapes that drive differentiation of mesenchymal lineages including osteogenic and chondrogenic lineages, and novel chondrocyte cell states. In particular, we define regionally distinct limb and cranial osteoprogenitor populations and trajectories across the fetal skeleton and characterise differential regulatory networks that govern intramembranous and endochondral ossification. We also introduce SNP2Cell, a tool to link cell-type specific regulatory networks to numerous polygenic traits such as osteoarthritis. We also conduct in silico perturbations of genes that cause monogenic craniosynostosis and implicate potential pathogenic cell states and disease mechanisms involved. This work forms a detailed and dynamic regulatory atlas of human fetal skeletal maturation and advances our fundamental understanding of cell fate determination in human skeletal development.

Abstract Embryogenesis is a vulnerable time. Mutations in developmental cells can result in the wide dissemination of cells predisposed to disease within mature organs. We characterised the evolutionary history of four synchronous renal tumours from a 14-year-old girl, timing their shared origin to a multipotent embryonic cell committed to the right kidney, around 4 weeks post-conception. Their shared MTOR mutation, absent from normal tissues, enhances protein flexibility, which enables a FAT domain hinge to dramatically increase activity of mTORC1 and mTORC2. Developmental mutations, not usually detected in traditional genetic screening, have vital clinical importance in guiding prognosis, targeted treatment, and family screening decisions for paediatric tumours.

Numerous physiological and pathological phenomena are associated with the quiescent state of a cell. Cellular quiescence is a heterogeneous resting state; cells in deep than shallow quiescence require stronger growth stimulation to exit quiescence and reenter the cell cycle. Despite the importance of quiescent cells such as stem and progenitor cells to tissue homeostasis and repair, cellular mechanisms controlling the depth of cellular quiescence are poorly understood. Here we began by analyzing transcriptome changes as rat embryonic fibroblasts moved progressively deeper into quiescence under increasingly longer periods of serum starvation. We found that lysosomal gene expression was significantly upregulated in deep than shallow quiescence, which compensated for gradually reduced autophagy flux observed during quiescence deepening. Consistently, we show that inhibiting lysosomal function drove cells deeper into quiescence and eventually into a senescence-like irreversibly arrested state. By contrast, increasing lysosomal function progressively pushed cells into shallower quiescence. That is, lysosomal function modulates quiescence depth continuously like a dimmer switch. Mechanistically, we show that lysosomal function prevents quiescence deepening by reducing oxidative stress in the cell. Lastly, we show that a gene expression signature developed by comparing deep and shallow quiescent cells can correctly classify senescent and aging cells in a wide array of cell lines in vitro and tissues in vivo, suggesting that quiescence deepening, senescence, and aging may share common regulatory mechanisms.