We describe the landscape of genomic alterations in cutaneous melanomas through DNA, RNA, and protein-based analysis of 333 primary and/or metastatic melanomas from 331 patients. We establish a framework for genomic classification into one of four subtypes based on the pattern of the most prevalent significantly mutated genes: mutant BRAF, mutant RAS, mutant NF1, and Triple-WT (wild-type). Integrative analysis reveals enrichment of KIT mutations and focal amplifications and complex structural rearrangements as a feature of the Triple-WT subtype. We found no significant outcome correlation with genomic classification, but samples assigned a transcriptomic subclass enriched for immune gene expression associated with lymphocyte infiltrate on pathology review and high LCK protein expression, a T cell marker, were associated with improved patient survival. This clinicopathological and multi-dimensional analysis suggests that the prognosis of melanoma patients with regional metastases is influenced by tumor stroma immunobiology, offering insights to further personalize therapeutic decision-making.

Data on patients with COVID-19 who have cancer are lacking. Here we characterise the outcomes of a cohort of patients with cancer and COVID-19 and identify potential prognostic factors for mortality and severe illness.In this cohort study, we collected de-identified data on patients with active or previous malignancy, aged 18 years and older, with confirmed severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection from the USA, Canada, and Spain from the COVID-19 and Cancer Consortium (CCC19) database for whom baseline data were added between March 17 and April 16, 2020. We collected data on baseline clinical conditions, medications, cancer diagnosis and treatment, and COVID-19 disease course. The primary endpoint was all-cause mortality within 30 days of diagnosis of COVID-19. We assessed the association between the outcome and potential prognostic variables using logistic regression analyses, partially adjusted for age, sex, smoking status, and obesity. This study is registered with ClinicalTrials.gov, NCT04354701, and is ongoing.Of 1035 records entered into the CCC19 database during the study period, 928 patients met inclusion criteria for our analysis. Median age was 66 years (IQR 57-76), 279 (30%) were aged 75 years or older, and 468 (50%) patients were male. The most prevalent malignancies were breast (191 [21%]) and prostate (152 [16%]). 366 (39%) patients were on active anticancer treatment, and 396 (43%) had active (measurable) cancer. At analysis (May 7, 2020), 121 (13%) patients had died. In logistic regression analysis, independent factors associated with increased 30-day mortality, after partial adjustment, were: increased age (per 10 years; partially adjusted odds ratio 1·84, 95% CI 1·53-2·21), male sex (1·63, 1·07-2·48), smoking status (former smoker vs never smoked: 1·60, 1·03-2·47), number of comorbidities (two vs none: 4·50, 1·33-15·28), Eastern Cooperative Oncology Group performance status of 2 or higher (status of 2 vs 0 or 1: 3·89, 2·11-7·18), active cancer (progressing vs remission: 5·20, 2·77-9·77), and receipt of azithromycin plus hydroxychloroquine (vs treatment with neither: 2·93, 1·79-4·79; confounding by indication cannot be excluded). Compared with residence in the US-Northeast, residence in Canada (0·24, 0·07-0·84) or the US-Midwest (0·50, 0·28-0·90) were associated with decreased 30-day all-cause mortality. Race and ethnicity, obesity status, cancer type, type of anticancer therapy, and recent surgery were not associated with mortality.Among patients with cancer and COVID-19, 30-day all-cause mortality was high and associated with general risk factors and risk factors unique to patients with cancer. Longer follow-up is needed to better understand the effect of COVID-19 on outcomes in patients with cancer, including the ability to continue specific cancer treatments.American Cancer Society, National Institutes of Health, and Hope Foundation for Cancer Research.

Summary

 Immune checkpoint inhibitors (ICIs) produce durable responses in some melanoma patients, but many patients derive no clinical benefit, and the molecular underpinnings of such resistance remain elusive. Here, we leveraged single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) from 33 melanoma tumors and computational analyses to interrogate malignant cell states that promote immune evasion. We identified a resistance program expressed by malignant cells that is associated with T cell exclusion and immune evasion. The program is expressed prior to immunotherapy, characterizes cold niches in situ, and predicts clinical responses to anti-PD-1 therapy in an independent cohort of 112 melanoma patients. CDK4/6-inhibition represses this program in individual malignant cells, induces senescence, and reduces melanoma tumor outgrowth in mouse models in vivo when given in combination with immunotherapy. Our study provides a high-resolution landscape of ICI-resistant cell states, identifies clinically predictive signatures, and suggests new therapeutic strategies to overcome immunotherapy resistance.

Abstract Treatment with immune checkpoint blockade (CPB) therapies often leads to prolonged responses in patients with metastatic melanoma, but the common mechanisms of primary and acquired resistance to these agents remain incompletely characterized and have yet to be validated in large cohorts. By analyzing longitudinal tumor biopsies from 17 metastatic melanoma patients treated with CPB therapies, we observed point mutations, deletions or loss of heterozygosity (LOH) in beta-2-microglobulin ( B2M ), an essential component of MHC class I antigen presentation, in 29.4% of patients with progressing disease. In two independent cohorts of melanoma patients treated with anti-CTLA4 and anti-PD1, respectively, we find that B2M LOH is enriched threefold in non-responders (~30%) compared to responders (~10%) and associated with poorer overall survival. Loss of both copies of B2M is found only in non-responders. B2M loss is likely a common mechanism of resistance to therapies targeting CTLA4 or PD1.

Many patients with advanced cancers achieve dramatic responses to a panoply of therapeutics yet retain minimal residual disease (MRD), which ultimately results in relapse. To gain insights into the biology of MRD, we applied single-cell RNA sequencing to malignant cells isolated from BRAF mutant patient-derived xenograft melanoma cohorts exposed to concurrent RAF/MEK-inhibition. We identified distinct drug-tolerant transcriptional states, varying combinations of which co-occurred within MRDs from PDXs and biopsies of patients on treatment. One of these exhibited a neural crest stem cell (NCSC) transcriptional program largely driven by the nuclear receptor RXRG. An RXR antagonist mitigated accumulation of NCSCs in MRD and delayed the development of resistance. These data identify NCSCs as key drivers of resistance and illustrate the therapeutic potential of MRD-directed therapy. They also highlight how gene regulatory network architecture reprogramming may be therapeutically exploited to limit cellular heterogeneity, a key driver of disease progression and therapy resistance.

Abstract Immune checkpoint blockade, exemplified by antibodies targeting the PD-1 receptor, can induce durable tumor regressions in some patients. To enhance the efficacy of existing immunotherapies, we screened for small molecules capable of increasing the activity of T cells suppressed by PD-1. Here, we show that short-term exposure to small-molecule inhibitors of cyclin-dependent kinases 4 and 6 (CDK4/6) significantly enhances T-cell activation, contributing to antitumor effects in vivo, due in part to the derepression of NFAT family proteins and their target genes, critical regulators of T-cell function. Although CDK4/6 inhibitors decrease T-cell proliferation, they increase tumor infiltration and activation of effector T cells. Moreover, CDK4/6 inhibition augments the response to PD-1 blockade in a novel ex vivo organotypic tumor spheroid culture system and in multiple in vivo murine syngeneic models, thereby providing a rationale for combining CDK4/6 inhibitors and immunotherapies. Significance: Our results define previously unrecognized immunomodulatory functions of CDK4/6 and suggest that combining CDK4/6 inhibitors with immune checkpoint blockade may increase treatment efficacy in patients. Furthermore, our study highlights the critical importance of identifying complementary strategies to improve the efficacy of immunotherapy for patients with cancer. Cancer Discov; 8(2); 216–33. ©2017 AACR. See related commentary by Balko and Sosman, p. 143. See related article by Jenkins et al., p. 196. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 127

Immune checkpoint blockade (ICB) therapy provides remarkable clinical gains and has been very successful in treatment of melanoma. However, only a subset of patients with advanced tumors currently benefit from ICB therapies, which at times incur considerable side effects and costs. Constructing predictors of patient response has remained a serious challenge because of the complexity of the immune response and the shortage of large cohorts of ICB-treated patients that include both ‘omics’ and response data. Here we build immuno-predictive score (IMPRES), a predictor of ICB response in melanoma which encompasses 15 pairwise transcriptomics relations between immune checkpoint genes. It is based on two key conjectures: (i) immune mechanisms underlying spontaneous regression in neuroblastoma can predict melanoma response to ICB, and (ii) key immune interactions can be captured via specific pairwise relations of the expression of immune checkpoint genes. IMPRES is validated on nine published datasets1–6 and on a newly generated dataset with 31 patients treated with anti-PD-1 and 10 with anti-CTLA-4, spanning 297 samples in total. It achieves an overall accuracy of AUC = 0.83, outperforming existing predictors and capturing almost all true responders while misclassifying less than half of the nonresponders. Future studies are warranted to determine the value of the approach presented here in other cancer types. A gene signature identified in spontaneously regressing neuroblastoma identifies responders to immune checkpoint blockade among patients with melanoma with accuracy superior to previously reported biomarkers.

Abstract Multipotential adult mesenchymal stem cells (MSCs) are able to differentiate along several known lineages, and lineage commitment is tightly regulated through specific cellular mediators and interactions. Recent observations of a low/high bone‐mass phenotype in patients expressing a loss‐/gain‐of‐function mutation in LRP5, a coreceptor of the Wnt family of signaling molecules, suggest the importance of Wnt signaling in bone formation, possibly involving MSCs. To analyze the role of Wnt signaling in mesenchymal osteogenesis, we have profiled the expression of WNTs and their receptors, FRIZZLEDs ( FZDs ), and several secreted Wnt inhibitors, such as SFRPs , and examined the effect of Wnt 3a, as a representative canonical Wnt member, during MSC osteogenesis in vitro. WNT11 , FZD6 , SFRP2 , and SFRP3 are upregulated during MSC osteogenesis, while WNT9A and FZD 7 are downregulated. MSCs also respond to exogenous Wnt 3a, based on increased β‐catenin nuclearization and activation of a Wnt‐responsive promoter, and the magnitude of this response depends on the MSC differentiation state. Wnt 3a exposure inhibits MSC osteogenic differentiation, with decreased matrix mineralization and reduced alkaline phosphatase mRNA and activity. Wnt 3a treatment of fully osteogenically differentiated MSCs also suppresses osteoblastic marker gene expression. The Wnt 3a effect is accompanied by increased cell number, resulting from both increased proliferation and decreased apoptosis, particularly during expansion of undifferentiated MSCs. The osteo‐suppressive effects of Wnt 3a are fully reversible, i.e., treatment prior to osteogenic induction does not compromise subsequent MSC osteogenesis. The results also showed that sFRP3 treatment attenuates some of the observed Wnt 3a effects on MSCs, and that inhibition of canonical Wnt signaling using a dominant negative TCF1 enhances MSC osteogenesis. Interestingly, expression of Wnt 5a, a non‐canonical Wnt member, appeared to promote osteogenesis. Taken together, these findings suggest that canonical Wnt signaling functions in maintaining an undifferentiated, proliferating progenitor MSC population, whereas non‐canonical Wnts facilitate osteogenic differentiation. Release from canonical Wnt regulation is a prerequisite for MSC differentiation. Thus, loss‐/gain‐of‐function mutations of LRP5 would perturb Wnt signaling and depress/promote bone formation by affecting the progenitor cell pool. Elucidating Wnt regulation of MSC differentiation is important for their potential application in tissue regeneration. Published 2004 Wiley‐Liss, Inc.

Despite compelling rates of durable clinical responses to programmed cell death-1 (PD-1) blockade, advances are needed to extend these benefits to resistant tumors. We found that tumor-bearing mice deficient in the chemokine receptor CXCR3 responded poorly to anti-PD-1 treatment. CXCR3 and its ligand CXCL9 were critical for a productive CD8+ T cell response in tumor-bearing mice treated with anti-PD-1 but were not required for the infiltration of CD8+ T cells into tumors. The anti-PD-1-induced anti-tumor response was facilitated by CXCL9 production from intratumoral CD103+ dendritic cells, suggesting that CXCR3 facilitates dendritic cell-T cell interactions within the tumor microenvironment. CXCR3 ligands in murine tumors and in plasma of melanoma patients were an indicator of clinical response to anti-PD-1, and their induction in non-responsive murine tumors promoted responsiveness to anti-PD-1. Our data suggest that the CXCR3 chemokine system is a biomarker for sensitivity to PD-1 blockade and that augmenting the intratumoral function of this chemokine system could improve clinical outcomes.

Abstract Ex vivo systems that incorporate features of the tumor microenvironment and model the dynamic response to immune checkpoint blockade (ICB) may facilitate efforts in precision immuno-oncology and the development of effective combination therapies. Here, we demonstrate the ability to interrogate ex vivo response to ICB using murine- and patient-derived organotypic tumor spheroids (MDOTS/PDOTS). MDOTS/PDOTS isolated from mouse and human tumors retain autologous lymphoid and myeloid cell populations and respond to ICB in short-term three-dimensional microfluidic culture. Response and resistance to ICB was recapitulated using MDOTS derived from established immunocompetent mouse tumor models. MDOTS profiling demonstrated that TBK1/IKKϵ inhibition enhanced response to PD-1 blockade, which effectively predicted tumor response in vivo. Systematic profiling of secreted cytokines in PDOTS captured key features associated with response and resistance to PD-1 blockade. Thus, MDOTS/PDOTS profiling represents a novel platform to evaluate ICB using established murine models as well as clinically relevant patient specimens. Significance: Resistance to PD-1 blockade remains a challenge for many patients, and biomarkers to guide treatment are lacking. Here, we demonstrate feasibility of ex vivo profiling of PD-1 blockade to interrogate the tumor immune microenvironment, develop therapeutic combinations, and facilitate precision immuno-oncology efforts. Cancer Discov; 8(2); 196–215. ©2017 AACR. See related commentary by Balko and Sosman, p. 143. See related article by Deng et al., p. 216. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 127