Loss of donor-mediated immune antitumor activity after allogeneic hematopoietic stem-cell transplantation (HSCT) permits relapse of hematologic cancers. We hypothesized that immune checkpoint blockade established by targeting cytotoxic T-lymphocyte–associated protein 4 with ipilimumab could restore antitumor reactivity through a graft-versus-tumor effect.

Prediction of HLA epitopes is important for the development of cancer immunotherapies and vaccines. However, current prediction algorithms have limited predictive power, in part because they were not trained on high-quality epitope datasets covering a broad range of HLA alleles. To enable prediction of endogenous HLA class I-associated peptides across a large fraction of the human population, we used mass spectrometry to profile >185,000 peptides eluted from 95 HLA-A, -B, -C and -G mono-allelic cell lines. We identified canonical peptide motifs per HLA allele, unique and shared binding submotifs across alleles and distinct motifs associated with different peptide lengths. By integrating these data with transcript abundance and peptide processing, we developed HLAthena, providing allele-and-length-specific and pan-allele-pan-length prediction models for endogenous peptide presentation. These models predicted endogenous HLA class I-associated ligands with 1.5-fold improvement in positive predictive value compared with existing tools and correctly identified >75% of HLA-bound peptides that were observed experimentally in 11 patient-derived tumor cell lines. Prediction of HLA class I epitopes is improved in accuracy and breath with peptidomes from 95 mono-allelic cell lines.

Oncogene-induced senescence is an important mechanism by which normal cells are restrained from malignant transformation. Here we report that the suppression of the c-Myc (MYC) oncogene induces cellular senescence in diverse tumor types including lymphoma, osteosarcoma, and hepatocellular carcinoma. MYC inactivation was associated with prototypical markers of senescence, including acidic beta-gal staining, induction of p16INK4a, and p15INK4b expression. Moreover, MYC inactivation induced global changes in chromatin structure associated with the marked reduction of histone H4 acetylation and increased histone H3 K9 methylation. Osteosarcomas engineered to be deficient in p16INK4a or Rb exhibited impaired senescence and failed to exhibit sustained tumor regression upon MYC inactivation. Similarly, only after lymphomas were repaired for p53 expression did MYC inactivation induce robust senescence and sustained tumor regression. The pharmacologic inhibition of signaling pathways implicated in oncogene-induced senescence including ATM/ATR and MAPK did not prevent senescence associated with MYC inactivation. Our results suggest that cellular senescence programs remain latently functional, even in established tumors, and can become reactivated, serving as a critical mechanism of oncogene addiction associated with MYC inactivation.

Personal neoantigen vaccines have been envisioned as an effective approach to induce, amplify and diversify antitumor T cell responses. To define the long-term effects of such a vaccine, we evaluated the clinical outcome and circulating immune responses of eight patients with surgically resected stage IIIB/C or IVM1a/b melanoma, at a median of almost 4 years after treatment with NeoVax, a long-peptide vaccine targeting up to 20 personal neoantigens per patient ( NCT01970358 ). All patients were alive and six were without evidence of active disease. We observed long-term persistence of neoantigen-specific T cell responses following vaccination, with ex vivo detection of neoantigen-specific T cells exhibiting a memory phenotype. We also found diversification of neoantigen-specific T cell clones over time, with emergence of multiple T cell receptor clonotypes exhibiting distinct functional avidities. Furthermore, we detected evidence of tumor infiltration by neoantigen-specific T cell clones after vaccination and epitope spreading, suggesting on-target vaccine-induced tumor cell killing. Personal neoantigen peptide vaccines thus induce T cell responses that persist over years and broaden the spectrum of tumor-specific cytotoxicity in patients with melanoma. Personalized neoantigen vaccination in patients with melanoma elicits durable and specific memory T cell clones that have cytotoxic gene signatures and can diversify to include nonvaccine neoantigen specificities.

Summary Understanding how intra-tumoral immune populations coordinate to generate anti-tumor responses following therapy can guide precise treatment prioritization. We performed systematic dissection of an established adoptive cellular therapy, donor lymphocyte infusion (DLI), by analyzing 348,905 single-cell transcriptomes from 74 longitudinal bone-marrow samples of 25 patients with relapsed myeloid leukemia; a subset was evaluated by protein-based spatial analysis. In acute myelogenous leukemia (AML) responders, diverse immune cell types within the bone-marrow microenvironment (BME) were predicted to interact with a clonally expanded population of ZNF683 + GZMB + CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTLs) which demonstrated in vitro specificity for autologous leukemia. This population, originating predominantly from the DLI product, expanded concurrently with NK and B cells. AML nonresponder BME revealed a paucity of crosstalk and elevated TIGIT expression in CD8+ CTLs. Our study highlights recipient BME differences as a key determinant of effective anti-leukemia response and opens new opportunities to modulate cell-based leukemia-directed therapy.

Immune therapies have transformed the cancer therapeutic landscape but fail to benefit most patients. To elucidate the underlying mechanisms by which T cells mediate elimination of leukemia, we generated a high-resolution map of longitudinal T cell dynamics within the same tumor microenvironment (TME) during response or resistance to donor lymphocyte infusion (DLI), a widely used immunotherapy for relapsed leukemia. We analyzed 87,939 bone marrow-derived single T cell transcriptomes, along with chromatin accessibility and single T cell receptor clonality profiles, by developing novel machine learning tools for integrating longitudinal and multimodal data. We found that pre-treatment enrichment and post-treatment rapid, durable expansion of ‘terminal’ (T EX ) and ‘precursor’ (T PEX ) exhausted subsets, respectively, defined DLI response. A contrasting, heterogeneous pattern of T cell dysfunction marked DLI resistance. Unexpectedly, T PEX cells that expanded in responders did not arise from the infusion product but instead from both pre-existing and novel clonotypes recruited to the TME. Our unbiased dissection of the TME using a Bayesian method, Symphony, defined the T cell circuitry underlying effective human anti-leukemic immune responses that may be broadly relevant to other exhaustion antagonists across cancers. Finally, we provide a general analysis paradigm for exploiting temporal single-cell genomic profiling for deep understanding of therapeutic scenarios beyond oncology.

Resistance to the graft-versus-leukemia (GvL) effect remains the major barrier to successful allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT) for aggressive hematologic malignancies. The basis of GvL resistance for advanced lymphoid malignancies remains incompletely understood. We hypothesized that for patients with chronic lymphocytic leukemia (CLL) treated with allo-HSCT, leukemic cell-intrinsic features shape GvL outcomes by directing the evolutionary trajectories of CLL cells. Integrated genetic, transcriptomic and epigenetic analyses of CLL cells from 10 patients revealed that the clinical kinetics of post-HSCT relapse are shaped by distinct molecular dynamics and suggest that the selection pressures of the GvL bottleneck are unlike those imposed by chemotherapy. No selective advantage for HLA loss was observed, even when present in pre-transplant subpopulations. Regardless of post-transplant relapse kinetics, gain of stem cell modules was a common signature associated with leukemia relapse. These data elucidate the biological pathways that underlie GvL resistance and post-transplant relapse.### Competing Interest StatementC.J.W. is a co-founder of Neon Therapeutics and member of its scientific advisory board. C.J.W., G.G., D.N. and T.J.K. receive research funding from Pharmacyclics. T.J.K. has received research funding and/or has served as an advisor to Ascerta/AstraZeneca, Celgene, Genentech/Roche, Gilead, Janssen, Loxo Oncology, Octernal Therapeutics, Pharmacyclics/AbbVie, TG Therapeutics, VelosBio, and Verastem. Cirmtuzumab was developed by T.J.K. and licensed by the University of California to Oncternal Therapeutics, Inc., which has provided stock/options to the university and T.J.K. G.G. receives research funds from IBM. G.G. is an inventor of several bioinformatics-related patents, including patents related to MuTect and ABSOLUTE. J.R.B. is a consultant for Abbvie, Acerta, Beigene, Genentech/Roche, Gilead, Juno/Celgene, Kite, Loxo, Novartis, Pfizer, Pharmacyclics, Sunesis, TG Therapeutics and Verastem; received honoraria from Janssen and Teva; received research funding from Gilead, Loxo, Sun and Verastem; and served on data safety monitoring committees for Morphosys and Invectys. S.A.S. previously advised and has received consulting fees from Neon Therapeutics. S.A.S. reported nonfinancial support from Bristol-Myers Squibb, and equity in Agenus Inc., Agios Pharmaceuticals, Breakbio Corp., Bristol-Myers Squibb and NewLink Genetics, outside the submitted work. D.N. reports stock ownership in Madrigal Pharmaceuticals. J.R. receives research funding from Amgen, Equillium and Kite/Gilead and serves on Data Safety Monitoring Committees for AvroBio and Scientific Advisory Boards for LifeVault Bio, Rheos Medicines, Talaris Therapeutics and TScan Therapeutics. P.V.K. serves on the Scientific Advisory Board to Celsius Therapeutics Inc. The remaining authors declare no competing financial interests.

Tumor epitopes – peptides that are presented on surface-bound MHC I proteins - provide targets for cancer immunotherapy and have been identified extensively in the annotated protein-coding regions of the genome. Motivated by the recent discovery of translated novel unannotated open reading frames (nuORFs) using ribosome profiling (Ribo-seq), we hypothesized that cancer-associated processes could generate nuORFs that can serve as a new source of tumor antigens that harbor somatic mutations or show tumor-specific expression. To identify cancer-specific nuORFs, we generated Ribo-seq profiles for 29 malignant and healthy samples, developed a sensitive analytic approach for hierarchical ORF prediction, and constructed a high-confidence database of translated nuORFs across tissues. Peptides from 3,555 unique translated nuORFs were presented on MHC I, based on analysis of an extensive dataset of MHC I-bound peptides detected by mass spectrometry, with >20-fold more nuORF peptides detected in the MHC I immunopeptidomes compared to whole proteomes. We further detected somatic mutations in nuORFs of cancer samples and identified nuORFs with tumor-specific translation in melanoma, chronic lymphocytic leukemia and glioblastoma. NuORFs thus expand the pool of MHC I-presented, tumor-specific peptides, targetable by immunotherapies.