Abstract COVID-19 continues to exact a toll on human health despite the availability of several vaccines. Bacillus Calmette Guérin (BCG) has been shown to confer heterologous immune protection against viral infections including COVID-19 and has been proposed as vaccine against SARS-CoV-2 (SCV2). Here we tested intravenous BCG vaccination against COVID-19 using the golden Syrian hamster model together with immune profiling and single cell RNA sequencing (scRNAseq). We observed that BCG reduced both lung SCV2 viral load and bronchopneumonia. This was accompanied by an increase in lung alveolar macrophages, a reversal of SCV2-mediated T cell lymphopenia, and reduced lung granulocytes. Single cell transcriptome profiling showed that BCG uniquely recruits immunoglobulin-producing plasma cells to the lung suggesting accelerated antibody production. BCG vaccination also recruited elevated levels of Th1, Th17, Treg, CTLs, and Tmem cells, and differentially expressed gene (DEG) analysis showed a transcriptional shift away from exhaustion markers and towards antigen presentation and repair. Similarly, BCG enhanced lung recruitment of alveolar macrophages and reduced key interstitial macrophage subsets, with both cell-types also showing reduced IFN-associated gene expression. Our observations indicate that BCG vaccination protects against SCV2 immunopathology by promoting early lung immunoglobulin production and immunotolerizing transcriptional patterns among key myeloid and lymphoid populations.

Increased mitochondrial function may render some cancers vulnerable to mitochondrial inhibitors. Since mitochondrial function is regulated partly by mitochondrial DNA copy number (mtDNAcn), accurate measurements of mtDNAcn could help reveal which cancers are driven by increased mitochondrial function and may be candidates for mitochondrial inhibition. However, prior studies have employed bulk macrodissections that fail to account for cell type-specific or tumor cell heterogeneity in mtDNAcn. These studies have often produced unclear results, particularly in prostate cancer. Herein, we developed a multiplex in situ method to spatially quantify cell type specific mtDNAcn. We show that mtDNAcn is increased in luminal cells of high-grade prostatic intraepithelial neoplasia (HGPIN), is increased in prostatic adenocarcinomas (PCa), and is further elevated in metastatic castration-resistant prostate cancer. Increased PCa mtDNAcn was validated by two orthogonal methods and is accompanied by increases in mtRNAs and enzymatic activity. Mechanistically, MYC inhibition in prostate cancer cells decreases mtDNA replication and expression of several mtDNA replication genes, and MYC activation in the mouse prostate leads to increased mtDNA levels in the neoplastic prostate cells. Our in situ approach also revealed elevated mtDNAcn in precancerous lesions of the pancreas and colon/rectum, demonstrating generalization across cancer types using clinical tissue samples.

How prostate cancer cells and their precursors mediate changes in the tumor microenvironment (TME) to drive prostate cancer progression is unclear, in part due to the inability to longitudinally study the disease evolution in human tissues. To overcome this limitation, we perform extensive single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) and molecular pathology of the comparative biology between human prostate cancer and key stages in the disease evolution of a genetically engineered mouse model (GEMM) of prostate cancer. Our studies of human tissues reveal that cancer cell-intrinsic activation of MYC signaling is a common denominator across the well-known molecular and pathological heterogeneity of human prostate cancer. Cell communication network and pathway analyses in GEMMs show that MYC oncogene-expressing neoplastic cells, directly and indirectly, reprogram the TME during carcinogenesis, leading to a convergence of cell state alterations in neighboring epithelial, immune, and fibroblast cell types that parallel key findings in human prostate cancer.

ABSTRACT The tissue microenvironment in prostate cancer is profoundly altered. While such alterations have been implicated in driving prostate cancer initiation and progression to aggressive disease, how prostate cancer cells and their precursors mediate those changes is unclear, in part due to the inability to longitudinally study the disease evolution in human tissues. To overcome this limitation, we performed extensive single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) and rigorous molecular pathology of the comparative biology between human prostate cancer and key time points in the disease evolution of a genetically engineered mouse model (GEMM) of prostate cancer. Our studies of human tissues, with validation in a large external data set, revealed that cancer cell-intrinsic activation of MYC signaling was the top up-regulated pathway in human cancers, representing a common denominator across the well-known molecular and pathological heterogeneity of human prostate cancer. Likewise, numerous non-malignant cell states in the tumor microenvironment (TME), including non-cancerous epithelial, immune, and fibroblast cell compartments, were conserved across individuals, raising the possibility that these cell types may be a sequelae of the convergent MYC activation in the cancer cells. To test this hypothesis, we employed a GEMM of prostate epithelial cell-specific MYC activation in two mouse strains. Cell communication network and pathway analyses suggested that MYC oncogene-expressing neoplastic cells, directly and indirectly, reprogrammed the TME during carcinogenesis, leading to the emergence of cascading cell state alterations in neighboring epithelial, immune, and fibroblast cell types that paralleled key findings in human prostate cancer. Importantly, among these changes, the progression from a precursor-enriched to invasive-cancer-enriched state was accompanied by a cell-intrinsic switch from pro-immunogenic to immunosuppressive transcriptional programs with coinciding enrichment of immunosuppressive myeloid and Treg cells in the immune microenvironment. These findings implicate activation of MYC signaling in reshaping convergent aspects of the TME of prostate cancer as a common denominator across the otherwise well-documented molecular heterogeneity of human prostate cancer.

SUMMARY While nucleoside DNA methyltransferase inhibitors (DNMTi) such as decitabine and azacitidine are effective in treating myelodysplatic syndrome (MDS)/leukemia, they have had limited utility for the majority of other cancers. Through a chemical library screen, we identified that triptolide, a diterpenoid epoxide from Tripterygium wilfordii , or analogs significantly augmented the epigenetic and anti-cancer effects of decitabine in vitro and in vivo . These effects were attributable to inhibition of DCTPP1-mediated cleavage of 5-aza-deoxycytidine triphosphate, the convergent activated metabolite of nucleoside DNMTi, leading to enhanced drug incorporation into genomic DNA, increased DNMT degradation, enhanced global DNA demethylation and associated transcriptional reprogramming. We show that high DCTPP1 expression was associated with cell-intrinsic resistance to nucleoside DNMTi, and that triptolide and its analogs could overcome this resistance. SIGNIFICANCE We screened a library of existing drugs to identify those capable of enhancing the anti-cancer effects of the nucleoside DNMTi decitabine. The combination of triptolide and decitabine synergistically inhibited cancer cell growth and survival in vitro , and was highly effective in inhibiting xenograft growth in vivo . Biochemical, genetic and structural biology studies with triptolide and its analogs revealed that this synergy was due to their inhibition of DCTPP1-mediated pyrophosphate cleavage from 5-aza-deoxycytidine triphosphate, the active metabolite of DNMTi. The genomic incorporation and efficacy of decitabine in cancer cell lines were significantly correlated with DCTPP1 expression more so than those of other nucleoside metabolizing genes. Triptolide and its analogs comprise rational adjuncts to nucleoside DNMTi ripe for further pre-clinical/clinical translation. HIGHLIGHTS Triptolide synergistically sensitizes cancer cells to DNMTi in vitro . Triptolide and decitabine combination shows favorable efficacy and safety in vivo . Synergy of triptolide and decitabine is mediated through inhibition of DCTPP1. High DCTPP1 expression confers cell intrinsic resistance to DNMTi.