Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a highly lethal and treatment-refractory cancer. Molecular stratification in pancreatic cancer remains rudimentary and does not yet inform clinical management or therapeutic development. Here, we construct a high-resolution molecular landscape of the cellular subtypes and spatial communities that compose PDAC using single-nucleus RNA sequencing and whole-transcriptome digital spatial profiling (DSP) of 43 primary PDAC tumor specimens that either received neoadjuvant therapy or were treatment naive. We uncovered recurrent expression programs across malignant cells and fibroblasts, including a newly identified neural-like progenitor malignant cell program that was enriched after chemotherapy and radiotherapy and associated with poor prognosis in independent cohorts. Integrating spatial and cellular profiles revealed three multicellular communities with distinct contributions from malignant, fibroblast and immune subtypes: classical, squamoid-basaloid and treatment enriched. Our refined molecular and cellular taxonomy can provide a framework for stratification in clinical trials and serve as a roadmap for therapeutic targeting of specific cellular phenotypes and multicellular interactions.

Neoadjuvant immune checkpoint blockade has shown promising clinical activity. Here, we characterized early kinetics in tumor-infiltrating and circulating immune cells in oral cancer patients treated with neoadjuvant anti-PD-1 or anti-PD-1/CTLA-4 in a clinical trial (NCT02919683). Tumor-infiltrating CD8 T cells that clonally expanded during immunotherapy expressed elevated tissue-resident memory and cytotoxicity programs, which were already active prior to therapy, supporting the capacity for rapid response. Systematic target discovery revealed that treatment-expanded tumor T cell clones in responding patients recognized several self-antigens, including the cancer-specific antigen MAGEA1. Treatment also induced a systemic immune response characterized by expansion of activated T cells enriched for tumor-infiltrating T cell clonotypes, including both pre-existing and emergent clonotypes undetectable prior to therapy. The frequency of activated blood CD8 T cells, notably pre-treatment PD-1-positive KLRG1-negative T cells, was strongly associated with intra-tumoral pathological response. These results demonstrate how neoadjuvant checkpoint blockade induces local and systemic tumor immunity.

ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) remains a treatment-refractory disease. Characterizing PDAC by mRNA profiling remains particularly challenging. Previously identified bulk expression subtypes were influenced by contaminating stroma and have not yet informed clinical management, whereas single cell RNA-seq (scRNA-seq) of fresh tumors under-represented key cell types. Here, we developed a robust single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) technique for frozen archival PDAC specimens and used it to study both untreated tumors and those that received neoadjuvant chemotherapy and radiotherapy (CRT). Gene expression programs learned across untreated malignant cell and fibroblast profiles uncovered a clinically relevant molecular taxonomy with improved prognostic stratification compared to prior classifications. Moreover, in the increasingly-adopted neoadjuvant treatment context, there was a depletion of classical-like phenotypes in malignant cells in favor of basal-like phenotypes associated with TNF-NFkB and interferon signaling as well as the presence of novel acinar and neuroendocrine classical-like states, which may be more resilient to cytotoxic treatment. Spatially-resolved transcriptomics revealed an association between malignant cells expressing these basal-like programs and higher immune infiltration with increased lymphocytic content, whereas those exhibiting classical-like programs were linked to sparser macrophage-predominant microniches, perhaps pointing to susceptibility to distinct therapeutic strategies. Our refined molecular taxonomy and spatial resolution can help advance precision oncology in PDAC through informative stratification in clinical trials and insights into differential therapeutic targeting leveraging the immune system.

Abstract Understanding the function of genes and their regulation in tissue homeostasis and disease requires knowing the cellular context in which genes are expressed in tissues across the body. Single cell genomics allows the generation of detailed cellular atlases in human tissues, but most efforts are focused on single tissue types. Here, we establish a framework for profiling multiple tissues across the human body at single-cell resolution using single nucleus RNA-Seq (snRNA-seq), and apply it to 8 diverse, archived, frozen tissue types (three donors per tissue). We apply four snRNA-seq methods to each of 25 samples from 16 donors, generating a cross-tissue atlas of 209,126 nuclei profiles, and benchmark them vs . scRNA-seq of comparable fresh tissues. We use a conditional variational autoencoder (cVAE) to integrate an atlas across tissues, donors, and laboratory methods. We highlight shared and tissue-specific features of tissue-resident immune cells, identifying tissue-restricted and non-restricted resident myeloid populations. These include a cross-tissue conserved dichotomy between LYVE1- and HLA class II-expressing macrophages, and the broad presence of LAM-like macrophages across healthy tissues that is also observed in disease. For rare, monogenic muscle diseases, we identify cell types that likely underlie the neuromuscular, metabolic, and immune components of these diseases, and biological processes involved in their pathology. For common complex diseases and traits analyzed by GWAS, we identify the cell types and gene modules that potentially underlie disease mechanisms. The experimental and analytical frameworks we describe will enable the generation of large-scale studies of how cellular and molecular processes vary across individuals and populations.

The molecular underpinnings of organ dysfunction in acute COVID-19 and its potential long-term sequelae are under intense investigation. To shed light on these in the context of liver function, we performed single-nucleus RNA-seq and spatial transcriptomic profiling of livers from 17 COVID-19 decedents. We identified hepatocytes positive for SARS-CoV-2 RNA with an expression phenotype resembling infected lung epithelial cells. Integrated analysis and comparisons with healthy controls revealed extensive changes in the cellular composition and expression states in COVID-19 liver, reflecting hepatocellular injury, ductular reaction, pathologic vascular expansion, and fibrogenesis. We also observed Kupffer cell proliferation and erythrocyte progenitors for the first time in a human liver single-cell atlas, resembling similar responses in liver injury in mice and in sepsis, respectively. Despite the absence of a clinical acute liver injury phenotype, endothelial cell composition was dramatically impacted in COVID-19, concomitantly with extensive alterations and profibrogenic activation of reactive cholangiocytes and mesenchymal cells. Our atlas provides novel insights into liver physiology and pathology in COVID-19 and forms a foundational resource for its investigation and understanding.

Abstract Throughout postnatal life, haematopoiesis in the bone marrow (BM) maintains blood and immune cell production. Haematopoiesis first emerges in human BM at 12 post conception weeks while fetal liver (FL) haematopoiesis is still expanding. Yet, almost nothing is known about how fetal BM evolves to meet the highly specialised needs of the fetus and newborn infant. Here, we detail the development of fetal BM including stroma using single cell RNA-sequencing. We find that the full blood and immune cell repertoire is established in fetal BM in a short time window of 6-7 weeks early in the second trimester. Fetal BM promotes rapid and extensive diversification of myeloid cells, with granulocytes, eosinophils and dendritic cell (DC) subsets emerging for the first time. B-lymphocyte expansion occurs, in contrast with erythroid predominance in FL at the same gestational age. We identify transcriptional and functional differences that underlie tissue-specific identity and cellular diversification in fetal BM and FL. Finally, we reveal selective disruption of B-lymphocyte, erythroid and myeloid development due to cell intrinsic differentiation bias as well as extrinsic regulation through an altered microenvironment in the fetal BM from constitutional chromosome anomaly Down syndrome during this crucial developmental time window.

Defective host defenses later in life are associated with changes in immune cell activities, suggesting that age-specific considerations are needed in immunotherapy approaches. In this study, we found that PD-1 and CTLA4-based cancer immunotherapies are unable to eradicate tumors in elderly mice. This defect in anti-tumor activity correlated with two known age-associated immune defects: diminished abundance of systemic naive CD8

Abstract TP53 is the most frequently mutated gene across many cancers and is associated with shorter survival in non-small cell lung cancer (NSCLC). To understand how TP53 -mutant ( TP53 mut ) malignant cells interact with the tumor microenvironment (TME) at a molecular, cellular, and tissue level, we built a multi-omic cellular and spatial tumor atlas of 23 treatment-naïve NSCLC human tumors. We identified significant differences in malignant expression programs and spatial cell-cell interactions between TP53 mut and TP53 WT tumors and found that highly-entropic TP53 mut malignant cells lose alveolar identity and coincide with an increased abundance of exhausted T cells and immune checkpoint interactions with implications for response to checkpoint blockade. We also identified a multicellular, pro-metastatic, hypoxic tumor niche, where highly-plastic, TP53 mut malignant cells expressing epithelial to mesenchymal transition (EMT) programs associate with SPP1 + myeloid cells and collagen-expressing cancer-associated fibroblasts. Our approach can be further applied to investigate mutation-specific TME changes in other solid tumors.

Abstract The innate-immune restriction factor MxA inhibits influenza replication by targeting the viral nucleoprotein (NP). Human influenza is more resistant than avian influenza to inhibition by human MxA, and prior work has compared human and avian viral strains to identify amino-acid differences in NP that affect sensitivity to MxA. However, this strategy is limited to identifying sites in NP where mutations that affect MxA sensitivity have fixed during the small number of documented zoonotic transmissions of influenza to humans. Here we use an unbiased deep mutational scanning approach to quantify how all ≈10,000 amino-acid mutations to NP affect MxA sensitivity. We both identify new sites in NP where mutations affect MxA resistance and re-identify mutations known to have increased MxA resistance during historical adaptations of influenza to humans. Most of the sites where mutations have the greatest effect are almost completely conserved across all influenza A viruses, and the amino acids at these sites confer relatively high resistance to MxA. These sites cluster in regions of NP that appear to be important for its recognition by MxA. Overall, our work systematically identifies the sites in influenza nucleoprotein where mutations affect sensitivity to MxA. We also demonstrate a powerful new strategy for identifying regions of viral proteins that affect interactions with host factors. Author Summary During viral infection, human cells express proteins that can restrict virus replication. However, in many cases it remains unclear what determines the sensitivity of a given viral strain to a particular restriction factor. Here we use a high-throughput approach to measure how all amino-acid mutations to the nucleoprotein of influenza virus affect restriction by the human protein MxA. We find several dozen sites where mutations substantially affect influenza’s sensitivity to MxA. While a few of these sites are known to have fixed mutations during past adaptations of influenza to humans, most of the sites are broadly conserved across all influenza strains and have never previously been described as affecting MxA resistance. Our results therefore show that the known historical evolution of influenza has only involved substitutions at a small fraction of the sites where mutations can in principle affect MxA resistance. We suggest that this is because many sites are already broadly fixed at amino acids that confer high resistance.

ABSTRACT White adipose tissue (WAT), once regarded as morphologically and functionally bland, is now recognized to be dynamic, plastic, heterogenous, and involved in a wide array of biological processes including energy homeostasis, glucose and lipid handling, blood pressure control, and host defense 1 . High fat feeding and other metabolic stressors cause dramatic changes in adipose morphology, physiology, and cellular composition 1 , and alterations in adiposity are associated with insulin resistance, dyslipidemia, and type 2 diabetes (T2D) 2 . Here, we provide detailed cellular atlases of human and murine subcutaneous and visceral white fat at single cell resolution across a range of body weight. We identify subpopulations of adipocytes, adipose stem and progenitor cells (ASPCs), vascular, and immune cells and demonstrate commonalities and differences across species and dietary conditions. We link specific cell types to increased risk of metabolic disease, and we provide an initial blueprint for a comprehensive set of interactions between individual cell types in the adipose niche in leanness and obesity. These data comprise an extensive resource for the exploration of genes, traits, and cell types in the function of WAT across species, depots, and nutritional conditions.