Human cancers are complex ecosystems composed of cells with distinct phenotypes, genotypes, and epigenetic states, but current models do not adequately reflect tumor composition in patients. We used single-cell RNA sequencing (RNA-seq) to profile 430 cells from five primary glioblastomas, which we found to be inherently variable in their expression of diverse transcriptional programs related to oncogenic signaling, proliferation, complement/immune response, and hypoxia. We also observed a continuum of stemness-related expression states that enabled us to identify putative regulators of stemness in vivo. Finally, we show that established glioblastoma subtype classifiers are variably expressed across individual cells within a tumor and demonstrate the potential prognostic implications of such intratumoral heterogeneity. Thus, we reveal previously unappreciated heterogeneity in diverse regulatory programs central to glioblastoma biology, prognosis, and therapy.

The diverse malignant, stromal, and immune cells in tumors affect growth, metastasis, and response to therapy. We profiled transcriptomes of ∼6,000 single cells from 18 head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) patients, including five matched pairs of primary tumors and lymph node metastases. Stromal and immune cells had consistent expression programs across patients. Conversely, malignant cells varied within and between tumors in their expression of signatures related to cell cycle, stress, hypoxia, epithelial differentiation, and partial epithelial-to-mesenchymal transition (p-EMT). Cells expressing the p-EMT program spatially localized to the leading edge of primary tumors. By integrating single-cell transcriptomes with bulk expression profiles for hundreds of tumors, we refined HNSCC subtypes by their malignant and stromal composition and established p-EMT as an independent predictor of nodal metastasis, grade, and adverse pathologic features. Our results provide insight into the HNSCC ecosystem and define stromal interactions and a p-EMT program associated with metastasis.

Gain-of-function IDH mutations are initiating events that define major clinical and prognostic classes of gliomas. Mutant IDH protein produces a new onco-metabolite, 2-hydroxyglutarate, which interferes with iron-dependent hydroxylases, including the TET family of 5'-methylcytosine hydroxylases. TET enzymes catalyse a key step in the removal of DNA methylation. IDH mutant gliomas thus manifest a CpG island methylator phenotype (G-CIMP), although the functional importance of this altered epigenetic state remains unclear. Here we show that human IDH mutant gliomas exhibit hypermethylation at cohesin and CCCTC-binding factor (CTCF)-binding sites, compromising binding of this methylation-sensitive insulator protein. Reduced CTCF binding is associated with loss of insulation between topological domains and aberrant gene activation. We specifically demonstrate that loss of CTCF at a domain boundary permits a constitutive enhancer to interact aberrantly with the receptor tyrosine kinase gene PDGFRA, a prominent glioma oncogene. Treatment of IDH mutant gliomaspheres with a demethylating agent partially restores insulator function and downregulates PDGFRA. Conversely, CRISPR-mediated disruption of the CTCF motif in IDH wild-type gliomaspheres upregulates PDGFRA and increases proliferation. Our study suggests that IDH mutations promote gliomagenesis by disrupting chromosomal topology and allowing aberrant regulatory interactions that induce oncogene expression.

High-grade gliomas are lethal brain cancers whose progression is robustly regulated by neuronal activity. Activity-regulated release of growth factors promotes glioma growth, but this alone is insufficient to explain the effect that neuronal activity exerts on glioma progression. Here we show that neuron and glioma interactions include electrochemical communication through bona fide AMPA receptor-dependent neuron–glioma synapses. Neuronal activity also evokes non-synaptic activity-dependent potassium currents that are amplified by gap junction-mediated tumour interconnections, forming an electrically coupled network. Depolarization of glioma membranes assessed by in vivo optogenetics promotes proliferation, whereas pharmacologically or genetically blocking electrochemical signalling inhibits the growth of glioma xenografts and extends mouse survival. Emphasizing the positive feedback mechanisms by which gliomas increase neuronal excitability and thus activity-regulated glioma growth, human intraoperative electrocorticography demonstrates increased cortical excitability in the glioma-infiltrated brain. Together, these findings indicate that synaptic and electrical integration into neural circuits promotes glioma progression. Neurons form synapses onto glioma cells, and depolarization of glioma membranes promotes glioma growth in vivo, whereas blocking electrochemical signalling blocks tumour growth.

Developmental fate decisions are dictated by master transcription factors (TFs) that interact with cis-regulatory elements to direct transcriptional programs. Certain malignant tumors may also depend on cellular hierarchies reminiscent of normal development but superimposed on underlying genetic aberrations. In glioblastoma (GBM), a subset of stem-like tumor-propagating cells (TPCs) appears to drive tumor progression and underlie therapeutic resistance yet remain poorly understood. Here, we identify a core set of neurodevelopmental TFs (POU3F2, SOX2, SALL2, and OLIG2) essential for GBM propagation. These TFs coordinately bind and activate TPC-specific regulatory elements and are sufficient to fully reprogram differentiated GBM cells to “induced” TPCs, recapitulating the epigenetic landscape and phenotype of native TPCs. We reconstruct a network model that highlights critical interactions and identifies candidate therapeutic targets for eliminating TPCs. Our study establishes the epigenetic basis of a developmental hierarchy in GBM, provides detailed insight into underlying gene regulatory programs, and suggests attendant therapeutic strategies.PaperClip/cms/asset/ef7bac5e-8e52-428e-8396-d46dd6e61d5d/mmc6.mp3Loading ...(mp3, 3.11 MB) Download audio

Tumor subclasses differ according to the genotypes and phenotypes of malignant cells as well as the composition of the tumor microenvironment (TME). We dissected these influences in isocitrate dehydrogenase (IDH)–mutant gliomas by combining 14,226 single-cell RNA sequencing (RNA-seq) profiles from 16 patient samples with bulk RNA-seq profiles from 165 patient samples. Differences in bulk profiles between IDH-mutant astrocytoma and oligodendroglioma can be primarily explained by distinct TME and signature genetic events, whereas both tumor types share similar developmental hierarchies and lineages of glial differentiation. As tumor grade increases, we find enhanced proliferation of malignant cells, larger pools of undifferentiated glioma cells, and an increase in macrophage over microglia expression programs in TME. Our work provides a unifying model for IDH-mutant gliomas and a general framework for dissecting the differences among human tumor subclasses.

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) and other H3K27M-mutated diffuse midline gliomas (DMGs) are universally lethal paediatric tumours of the central nervous system1. We have previously shown that the disialoganglioside GD2 is highly expressed on H3K27M-mutated glioma cells and have demonstrated promising preclinical efficacy of GD2-directed chimeric antigen receptor (CAR) T cells2, providing the rationale for a first-in-human phase I clinical trial (NCT04196413). Because CAR T cell-induced brainstem inflammation can result in obstructive hydrocephalus, increased intracranial pressure and dangerous tissue shifts, neurocritical care precautions were incorporated. Here we present the clinical experience from the first four patients with H3K27M-mutated DIPG or spinal cord DMG treated with GD2-CAR T cells at dose level 1 (1 × 106 GD2-CAR T cells per kg administered intravenously). Patients who exhibited clinical benefit were eligible for subsequent GD2-CAR T cell infusions administered intracerebroventricularly3. Toxicity was largely related to the location of the tumour and was reversible with intensive supportive care. On-target, off-tumour toxicity was not observed. Three of four patients exhibited clinical and radiographic improvement. Pro-inflammatory cytokine levels were increased in the plasma and cerebrospinal fluid. Transcriptomic analyses of 65,598 single cells from CAR T cell products and cerebrospinal fluid elucidate heterogeneity in response between participants and administration routes. These early results underscore the promise of this therapeutic approach for patients with H3K27M-mutated DIPG or spinal cord DMG. A phase I dose-escalation trial of GD2-CAR T cells in children and young adults with diffuse midline gliomas to assess the feasibility of manufacturing, safety and tolerability, and to preliminarily assess efficacy.

Glioblastoma, the most common and aggressive malignant brain tumor, is propagated by stem-like cancer cells refractory to existing therapies. Understanding the molecular mechanisms that control glioblastoma stem cell (GSC) proliferation and drug resistance may reveal opportunities for therapeutic interventions. Here we show that GSCs can reversibly transition to a slow-cycling, persistent state in response to targeted kinase inhibitors. In this state, GSCs upregulate primitive developmental programs and are dependent upon Notch signaling. This transition is accompanied by widespread redistribution of repressive histone methylation. Accordingly, persister GSCs upregulate, and are dependent on, the histone demethylases KDM6A/B. Slow-cycling cells with high Notch activity and histone demethylase expression are present in primary glioblastomas before treatment, potentially contributing to relapse. Our findings illustrate how cancer cells may hijack aspects of native developmental programs for deranged proliferation, adaptation, and tolerance. They also suggest strategies for eliminating refractory tumor cells by targeting epigenetic and developmental pathways.

High-grade gliomas (HGG) are a devastating group of cancers, and represent the leading cause of brain tumour-related death in both children and adults. Therapies aimed at mechanisms intrinsic to glioma cells have translated to only limited success; effective therapeutic strategies will need also to target elements of the tumour microenvironment that promote glioma progression. Neuronal activity promotes the growth of a range of molecularly and clinically distinct HGG types, including adult and paediatric glioblastoma (GBM), anaplastic oligodendroglioma, and diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG). An important mechanism that mediates this neural regulation of brain cancer is activity-dependent cleavage and secretion of the synaptic adhesion molecule neuroligin-3 (NLGN3), which promotes glioma proliferation through the PI3K-mTOR pathway. However, the necessity of NLGN3 for glioma growth, the proteolytic mechanism of NLGN3 secretion, and the further molecular consequences of NLGN3 secretion in glioma cells remain unknown. Here we show that HGG growth depends on microenvironmental NLGN3, identify signalling cascades downstream of NLGN3 binding in glioma, and determine a therapeutically targetable mechanism of secretion. Patient-derived orthotopic xenografts of paediatric GBM, DIPG and adult GBM fail to grow in Nlgn3 knockout mice. NLGN3 stimulates several oncogenic pathways, such as early focal adhesion kinase activation upstream of PI3K-mTOR, and induces transcriptional changes that include upregulation of several synapse-related genes in glioma cells. NLGN3 is cleaved from both neurons and oligodendrocyte precursor cells via the ADAM10 sheddase. ADAM10 inhibitors prevent the release of NLGN3 into the tumour microenvironment and robustly block HGG xenograft growth. This work defines a promising strategy for targeting NLGN3 secretion, which could prove transformative for HGG therapy.

Triple-negative breast cancer (TNBC) is an aggressive subtype characterized by extensive intratumoral heterogeneity. To investigate the underlying biology, we conducted single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) of >1500 cells from six primary TNBC. Here, we show that intercellular heterogeneity of gene expression programs within each tumor is variable and largely correlates with clonality of inferred genomic copy number changes, suggesting that genotype drives the gene expression phenotype of individual subpopulations. Clustering of gene expression profiles identified distinct subgroups of malignant cells shared by multiple tumors, including a single subpopulation associated with multiple signatures of treatment resistance and metastasis, and characterized functionally by activation of glycosphingolipid metabolism and associated innate immunity pathways. A novel signature defining this subpopulation predicts long-term outcomes for TNBC patients in a large cohort. Collectively, this analysis reveals the functional heterogeneity and its association with genomic evolution in TNBC, and uncovers unanticipated biological principles dictating poor outcomes in this disease.